O magnetismo é um campo em que físicos, engenheiros, cientistas de materiais, químicos, metal´urgicos e outros trabalham juntos.
Atualmente, constitui um dos objetos de estudo mais interessante da ciência, além de apresentar um grande interesse econômico, o qual faz com seja uma das maiores forças tecnológicas neste momento.
Desde uma simples b´ussola até a geração de energia elétrica ou as memórias dos computadores, diversos fenômenos magnéticos estão envolvidos.
Neste trabalho pretende-se mostrar através de montagens simples dois fenômenos muito importantes ligados ao magnetismo: uma transiçao de fase magnética em um material ao ser aquecido e o surgimento de correntes parasitas, as correntes de Foucault, em condutores submetidos à um fluxo variável de campo magnético.
Um pouco de história A história do magnetismo começou com um mineral chamado magnetita (Fe3O4), a primeira substância com propriedades magnéticas conhecida pelo homem.
Sua história anterior é obscura, mas seu poder de atrair ferro já era conhecido séculos antes de Cristo.
A magnetita está amplamente distribuída.
No mundo antigo, os depósitos mais abundantes ocorriam na região chamada Magnésia, localizada no que é hoje a Turquia, e a palavra magneto é derivada de uma similar grega, que se diz ter vindo do nome dessa região.
O primeiro a escrever sobre o magnetismo no Ocidente foi Peter Peregrinus, em um tratado datado de 1269 onde, além de descrever a magnetita e suas propriedades, definia a propriedade do imã de apontar sempre para o Norte, mencionava pela primeira vez o termo pólo magnético e explicava como um imã, quando partido em dois, se transforma em dois imãs.
Mas o trabalho mais significativo desse tempo e o mais completo desde o tempo de Peter Peregrinus foi o livro De Magnete, publicado em Londres, em 1600, por William Gilbert, na época médico da rainha Elizabeth I.
O livro discutia a b´ussola magnética, o comportamento do imã propriamente dito, com seus poderes de atração e repulsão, a distinção entre a ação magnética e a ação (elétrica) do âmbar e o envolvimento de cada imã por uma “órbita invisível de virtude”, que afetava qualquer pedaço de ferro que fosse colocado em sua vizinhança.
O livro discutia, também, como um imã de forma esférica poderia desempenhar o papel da Terra e com o auxílio de pequenos imãs, demonstrava o comportamento daquilo que hoje chamamos de campo magnético terrestre, explicando a propriedade da agulha da b´ussola de sempre apontar para o Norte ou para o Sul, a declinação magnética e a inclinação magnética [6].
18 - 3 Instrumentação para o ensino F 809 No século XIX, o professor dinamarquês Hans Christian Oersted conseguiu provar experimentalmente, em 1820, que quando uma corrente elétrica passava ao longo de um fio aparecia um campo magnético e Andr`e-Marie Amp`ere, na França, entre 1821 e 1825, esclareceu o efeito de uma corrente sobre um imã e o efeito oposto, de um imã sobre uma corrente.
Nos anos seguintes, Michael Faraday, na Inglaterra, iniciou suas pesquisas argumentando que se uma corrente num fio produzia efeitos magnéticos, como Amp`ere tinha demonstrado, o inverso poderia ser verdadeiro, isto é, um efeito magnético poderia produzir uma corrente elétrica.
Para testar essa hipótese, Faraday enrolou duas espiras de fio num anel de ferro, uma ligada a uma bateria e a outra, ligada a um medidor de corrente elétrica, verificando a existência, na segunda espira, de uma corrente temporária quando ligava e desligava a bateria.
Noutra experiência, Faraday usou uma espira enrolada em uma haste de ferro e dois imãs em forma de barra para demonstrar que os imãs, por si sós, podiam produzir uma corrente.
Para explicar como a eletricidade e o magnetismo podiam afetar um ao outro no espaço vazio, Faraday propôs a idéia de um campo, imaginando linhas de força magnética tanto mais próximas umas das outras quanto mais intenso era esse campo e supondo que essas linhas tendiam a se encurtar sempre que possível e a se repelir mutuamente.
Mais tarde, em 1837, Faraday introduziu também a idéia de linhas de força elétrica [6].
Por volta de 1855 Jean Bernard Leon Foucault observou que quando um disco de cobre era colocado entre os pólos de um magneto era preciso mais força para fazê-lo girar do que quando não havia o magneto, fato que ocorre devido ao surgimento de correntes parasitas no interior do metal produzidas pela variação do fluxo, correntes estas que também ficaram conhecidas como correntes de Foucault [7].
A análise matemática completa dos fenômenos elétricos e magnéticos aceita hoje apareceu em 1873, quando o escocês James Clerk Maxwell publicou seu Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo.
A partir de então, sobre a história mais recente, podemos citar alguns dos trabalhos mais importantes, sintetizadamente, começando com Oberlin Smith, que idealizou a gravação magnética e que, anos mais tarde, Valdemar Poulsen colocou em prática construindo o primeiro gravador magnético.
No final do século XIX, Pierre Curie mostrou que as propriedades magnéticas de uma dada substância sofrem tranformações em uma certa temperatura, que ficou conhecida como ponto de Curie.
Em 1905, Paul Langevin apresenta seus estudos sobre o diamagnetismo e, em 1907, Pierre Weiss, sobre o ferromagnetismo.
Neste trabalho, destacam-se principalmente os nomes de Jean Bernard Leon Foucault e Pierre Curie.
A seguir, apresentamos um breve resumo de suas biografias.
Jean Bernard Leon Foucault nasceu em Paris em 18 de Setembro de 1819.
No início de sua carreira estudou medicina; concluído o curso, cedo o abandonou para se dedicar à Física.
Em 1851 ele constrói o então famoso experimento que conhecemos como Pêndulo de Foucault, constituído por uma esfera metálica de 28 kgf de peso, suspensa por um fio de aproximadamente 67 m, e que serve para demonstrar a rotação da Terra.
Alguns anos após, inventa e constrói o giroscópio, um aparelho que lhe permitiu realizar novas experiências sobre o movimento da Terra.
Foucault recebeu pela descoberta 18 - 4 Instrumentação para o ensino F 809 do giroscópio a medalha Copley, da Royal Society de Londres.
Em 1855 se torna assistente de física do Observatório Imperial de Paris.
Junto com Armand Fizeau consegue medir a velocidade da luz no ar e na água, além de conseguir a primeira fotografia solar tirada depois de aprimorar o daguerreótipo, que foi um aparelho fotográfico criado por Daguerre.
Deve-se a Foucault, a descoberta das correntes induzidas em um condutor quando em movimento na presença de um campo magnético intenso.
As Correntes de Foucault são utilizadas para amortecer oscilações em alguns aparelhos (balanças de precisão, medidores de corrente, tensão etc.
), frenagens, fornos de indução etc.
Foucault morreu em 11 de Fevereiro de 1868, em Paris [1].
Pierre Curie nasceu em Paris em 15 de maio de 1859.
Licenciou-se em física em 1878 e assumiu o cargo de assistente no laboratório da Universidade de Sorbonne onde trabalhou juntamente com seu irmão mais velho, Jacques.
Os dois jovens físicos anunciaram a descoberta de um importante fenômeno, a piezeletricidade (eletricidade produzida pela tensão nos cristais).
Em suas pesquisas em magnetismo, observou que quando um material ferromagnético era aquecido, acima de uma dada temperatura ele perdia suas propriedades magnéticas, temperatura esta que ficou conhecida como ponto de Curie.
Pierre também deu importantes contribuições com suas pesquisas sobre radiação, que o levou, juntamente com sua esposa, Marie Curie, e Henri Becquerel, a ganhar o prêmio Nobel de Física em 1903 [8].
A balança Curie é uma montagem simples que ilustra uma transição de fase magnética.
Para entender um pouco melhor do que se trata uma transição de fase magnética é preciso falar um pouco sobre o magnetismo da matéria.
Cada elétron em um átomo possui um momento de dipolo magnético orbital e um momento de dipolo magnético de spin que se combinam vetorialmente.
A resultante dessas duas grandezas vetoriais se combina vetorialmente com resultantes semelhantes de todos os outros elétrons no átomo, e a resultante para cada átomo se combina com aquelas para todos os outros átomos em uma amostra de um material.
Se a combinação de todos estes momentos de dipolo magnético produz campo magnético, então o material é magnético.
Existem 3 tipos gerais de magnetismo: 1.
Diamagnetismo: manifestado por todos os materiais comuns, mas é tão fraco que é mascarado se o material exibir também magnetismo de um dos outros dois tipos.
No diamagnetismo, fracos momentos de dipolo magnético são produzidos nos átomos do material quando este é colocado em um campo magnético externo ~B ; a combinação de todos esses momentos de dipolo induzidos fornece ao material como um todo apenas um fraco campo magnético resultante.
Os momentos de dipolo, portanto o seu campo resultante, desaparecem quando ~B é removido [2].
Paramagnetismo: manifestado por materiais contendo elementos de transição, elementos terras-raras e elementos actinídeos.
Cada átomo de um material deste tipo possui um momento de dipolo resultante permanente, mas os momentos estão orientados aleatoriamente no material apresentando um campo magnético resultante nulo.
Entretanto, um campo magnético externo ~B pode alinhar parcialmente os momentos de dipolo magnético atômicos dando ao material um campo magnético resultante.
O alinhamento e portanto o seu campo desaparecem quando ~B é removido [2].
É uma propriedade do ferro, do níquel, do cobalto e alguns outros elementos.
Alguns dos elétrons nestes materiais possuem seus momentos de dipolo magnético resultante alinhados, que produzem regiões com fortes momentos de dipolo magnético.
Um campo externo ~B pode então alinhar os momentos magnéticos de tais regiões, produzindo um forte campo magnético para uma amostra do material; o campo persiste parcialmente quando ~B é removido [2].
Por definição, o momento de dipolo magnético por unidade de volume é denominado magnetização ~M
A magnetização de uma amostra pode ser obtida multiplicando-se o momento magnético ~m pelo n´umero N de átomos por unidade de volume.
Dessa forma, um ferromagneto pode ser caracterizado por possuir uma magnetização permanente, que não se anula quando o campo externo é removido.
Quando a temperatura de uma amostra ferromagnética é elevada, chega-se à um ponto em que a agitação térmica quebra toda a ordenação magnética, ou seja, os momentos magnéticos passam a orientar-se aleatoriamente, e a amostra deixa de ser ferromagnética passando a ser paramagnética.
Este fenômeno caracteriza uma transição de fase magnética e a temperatura em que isto acontece é denominada como ponto de Curie.
A tabela 1 mostra os valores do ponto de Curie para o ferro, níquel e cobalto.
Substância TC (K) Fe 1043 Co 1388 Ni 627 Tabela 1: Pontos de Curie para alguns materiais (referências [3, 5]).
Existe, em uma extensa classe de materiais, uma relação aproximadamente linear entre ~M e ~H (~H é a intensidade magnética, definida por ~H = ~B/µ0 - ~M ), onde [9]: ~M = m~H (1) A quantidade escalar adimensional m é denominada susceptibilidade magnética.
Um campo externo ~Btende a alinhar os dipolos, levando a uma magnetizaç ˜ ao n ˜ ao nula.
A tendência ao alinhamento encontra oposição na agitação térmica, assim, a susceptibilidade paramagnética deve depender da temperatura T, diminuindo quando T aumenta [3].
As primeiras medidas sistemáticas da susceptibilidade de um grande n´umero de substâncias sobre uma grande faixa de temperatura foram realizadas por Curie em 1895.
Ele encontrou que era independente da temperatura para diamagnéticos, mas que variava inversamente com a temperatura para paramagnéticos: m = C T (2) Esta relação é chamada como lei de Curie, e C é a constante de Curie [10].
Mais tarde, mostrou-se que a lei de Curie é apenas um caso especial de uma lei mais geral: m = C T - TC (3) Que ficou conhecida como lei de Curie-Weiss [10].
Os resultados de Curie ficaram sem explicação teórica por dez anos, até que em 1905 Langevin propôs uma teoria.
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