Campo magnético
Campos magnéticos cercam materiais em correntes elétricas e são detectados pela força que exercem sobre materiais magnéticos ou cargas elétricas em movimento. O campo magnético em qualquer lugar possui tanto uma direção quanto uma magnitude, por tanto é um campo vetorial.
Um campo magnético é um vetor que descreve a influência magnétrica de cargas elétricas em movimento e ímãs permanentes. Pode-se afirmar que as ligações químicas são produtos de desequilíbrios nos campos magnéticos, e não elétricos. Um campo magnético B {\displaystyle \mathbf {B} } pode ser descrito pela Lei de Biot-Savart: Quando uma carga elétrica que se move em um campo magnético uniforme B com velocidade v, a carga fica sujeita à ação da força magnética F m {\displaystyle F_{m}} , que tem direção perpendicular a v e a B. A força magnética é proporcional ao campo B, à carga q e à componente da velocidade v na direção perpendicular a B: F m = B ⋅ q ⋅ v sen θ {\displaystyle F_{m}=B\cdot q\cdot v\,\operatorname {sen} \,\theta } Se a carga elétrica móvel for negativa, a força magnética F terá sentido oposto. A força magnética F m {\displaystyle F_{m}} altera a direção da velocidade, pois F sempre é perpendicular à velocidade, ou seja, é uma força centrípeta. Portanto, quando uma carga elétrica q está sob ação exclusiva de uma campo magnético, ela realiza um movimento circular uniforme, sua energia cinética permanece constante e o trabalho da força magnética é nulo.
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A expressão campo magnético é usada para dois campos vetoriais diferentes, simbolizados por B e H.[nota 1][nota 2] Existem muitos nomes alternativos para os dois campos (veja tabela ao lado). Para evitar confusão, este artigo usa campo B e campo H para estes campos, e usa campo magnético onde qualquer um dos dois campos se aplicar. O campo B pode ser definido de muitas formas equivalentes baseado nos seus efeitos sobre o ambiente. Por exemplo, uma partícula com carga elétrica, q, movendo-se em um campo B com uma velocidade v, experimenta uma força F: onde × é o produto vetorial. O campo B é medido em tesla no SI, e em gauss em unidades cgs. Quando uma partícula carregada "q" está sob a influência dos campos magnéticos e elétrico, duas forças são aplicadas sobre ela. A soma dessas forças é conhecida como Força de Lorentz: Tecnicamente, B é um pseudovetor (também chamado de vetor axial — esta é uma afirmação sobre como o campo magnético se comporta quando você reflete o mundo em um espelho, conhecido como paridade). Este fato fica aparente da definição acima de B.
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Ímãs permanentes são objetos que produzem seus próprios campos magnéticos persistentes. Todos os ímãs permanentes possuem os pólos sul e norte. Eles são feitos de materiais ferromagnéticos como ferro e níquel que foram magnetizados. A força do ímã é representada pelo seu momento magnético, m; para magnetos simples, m aponta na direção de uma linha desenhada do polo sul ao polo norte do magneto. Para mais detalhes sobre magnetos veja magnetização abaixo e o artigo ferromagnetismo.
Força em um magneto devido a um B não-uniforme
Pólos magnéticos iguais quando aproximados se repelem, enquanto polos opostos se atraem. Este é um exemplo específico de uma regra geral de que os magnetos são atraídos (ou repelidos dependendo da orientação do magneto) para regiões de campo magnético maior. Por exemplo, pólos opostos atraem-se por que cada magneto é empurrado no campo magnético maior do pólo do outro. A força é atrativa por que cada magneto m está na mesma direção do campo magnético B do outro. Revertendo a direção de m reverte a força resultante. Magnetos com m oposto a B são empurrados para regiões de campo magnético menor, desde que o magneto, e portanto, m não girar devido ao torque magnético. Este fenômeno corresponde ao de pólos semelhantes de dois magnetos sendo aproximados. A capacidade de um campo magnético não uniforme de ordenar dipolos com orientação diferente a base do experimento de Stern-Gerlach, que estabeleceu a natureza quântica dos dipolos magnéticos associados com átomos e elétrons.
Torque em um magneto devido a um campo B
Um magneto colocado em um campo magnético sofre um torque que tenta alinhá-lo com o campo magnético. O torque em um magneto devido a um campo magnético externo é fácil de observar: basta colocar dois magnetos próximos, deixando com que um deles gire. O torque N em um magneto pequeno é proporcional ao campo B aplicado e ao momento magnético m do magneto: N = m × B , {\displaystyle \mathbf {N} =\mathbf {m} \times \mathbf {B} ,\,} O alinhamento de um magneto com o campo magnético da Terra é o mecanismo de funcionamento da bússola. Ele é usado para determinar a direção do campo magnético local também (veja a definição de B abaixo). Um pequeno magneto é montado tal que ele possui liberdade para girar (em um dado plano) e seu pólo norte é marcado. Por definição, a direção do campo magnético local é a direção que o pólo norte de uma bússola (ou qualquer outro magneto) tende a apontar.
O mapeamento da força e direção do campo magnético é simples, em princípio. Primeiro, meça a força e direção do campo magnético em um grande número de posições. Então marque cada localização com uma seta (chamada de vetor) apontando na direção do campo magnético local com um comprimento proporcional à intensidade do campo magnético. Um método alternativo de visualizar o campo magnético que simplifica enormemente o diagrama enquanto mantém as mesmas informações é 'conectar' os vetores para formar "linhas de campo magnético". Vários fenômenos físicos têm o efeito de mostrar as linhas de campo magnético. Por exemplo, limalhas de ferro colocadas em um campo magnético se alinham de forma a mostrar visualmente a orientação do campo magnético (veja a figura à esquerda). Linhas de campo magnético também são apresentadas visualmente por auroras polares, nas quais interações de dipolo de partículas de plasma criam faixas de luz visível que se alinham com a direção local do campo magnético.
Linhas de campo B sempre formam laços fechados
As linhas de campo são uma maneira útil de representar qualquer campo vetorial e geralmente revelam propriedades sofisticadas dos campos de forma bastante simples. Uma propriedade importante do campo 'B' que pode ser verificada com as linhas de campo é que as linhas de campo magnético sempre fazem voltas completas. Elas não começam nem terminam (embora possam se estender ao infinito). Até hoje nenhuma exceção a esta regra foi encontrada. O campo magnético sai do magneto em seu pólo norte e entra em seu pólo sul, mas dentro do magneto as linhas de campo B retornam do pólo sul de volta ao pólo norte.[nota 4] Se uma linha de campo B entra em um magneto em algum ponto ela deve sair em outro ponto. Por esta razão, pólos magnéticos sempre vêm em pares N e S. Cortar um magneto ao meio resulta em dois magnetos separados cada um deles com um pólo norte e outro sul.
Monopolo magnético (hipotético)
Um monopolo magnético é uma partícula hipotética (ou uma classe de partículas) que tem, como o nome sugere, somente um pólo magnético (um pólo sul ou um pólo norte). Em outras palavras, ele possui uma "carga magnética" análoga à carga elétrica. O interesse moderno neste conceito vem da teoria de partículas, notavelmente Teorias da Grande Unificação e a teoria das supercordas, que predizem a sua existência ou possibilidade de existência de monopólos magnéticos. Estas teorias e outras inspiraram esforços na busca de monopólos. Apesar destes esforços, nenhum monopólo magnético já foi observado até hoje.
Linhas de campo H começam e terminam próximo a pólos magnéticos
Fora de um magneto, as linhas de campo H são idênticas às linhas de campo B, mas dentro elas apontam em direções opostas. O campo H, portanto, é análogo ao campo elétrico E que começa como uma carga positiva e termina como uma carga negativa. É tentador, portanto, modelar magnetos em termos de cargas magnéticas localizadas próximas dos pólos. Infelizmente, este modelo é incorreto. Ele falha para determinar o campo magnético dentro de magnetos, por exemplo.
As correntes de cargas elétricas geram um campo magnético e sofrem a ação de uma força devido a um campo B magnético.
Campo magnético gerado por correntes de cargas elétricas
Todas as cargas em movimento produzem campos magnéticos.[nota 5] Cargas pontuais em movimento produzem um campo magnético complicado mas bem conhecido que depende da carga, velocidade, e aceleração da partícula. Ele forma caminhos fechados em torno de uma linha apontando na direção em que a carga está se movendo. Condutores com corrente geram campos magnéticos que formam círculos concêntricos. A direção do campo magnético nestas linhas é determinada pela regra da mão direita. Quando se movem com a corrente, para a esquerda o campo magnético aponta para cima enquanto que à direita aponta para baixo (veja a figura à direita). A intensidade do campo magnético diminui com a distância do condutor.
Força sobre uma carga em movimento devido a um campo B
Uma partícula com carga se movendo em um campo B experimenta uma força lateral que é proporcional à intensidade do campo magnético, à componente da velocidade que é perpendicular ao campo magnético e à carga da partícula. Esta força é conhecida como força de Lorentz e é dada por onde F é a força, q é a carga elétrica da partícula, v é a velocidade instantânea da partícula e B é o campo magnético (em teslas). A força de Lorentz é sempre perpendicular tanto com a velocidade da partícula quanto ao campo magnético que a criou. Partículas estacionárias e partículas que se movem na direção das linhas do campo magnético não experimentam esta força. Por esta razão, partículas carregadas movem-se em um círculo (ou, de forma mais genérica, uma hélice)) em torno das linhas de campo magnética, este é chamado de movimento de ciclotron. Como a força magnética é sempre perpendicular ao movimento, o campo magnético não pode realizar trabalho em uma carga isolada. Ele pode, entretanto, mudar a direção da partícula, ao ponto de forçar a mudança de direção para uma direção perpendicular da direção original. A força magnética pode realizar trabalho em um dipolo magnético, ou a uma partícula carregada cujo movimento esteja limitado por outras forças.
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As fórmulas derivadas para o campo magnético acima estão corretas quando lidando com a corrente inteira. Um material magnético colocado dentro de um campo magnético, entretanto, gera sua própria corrente acoplada que pode ser muito difícil de calcular. Esta corrente acoplada é devido à soma dos laços de correntes de escala atômica e o spin das partículas subatômicas como elétrons que fazem parte do material. O campo H como definido acima ajuda a fatorar esta corrente acoplada, mas para ver como, é útil introduzir primeiro o conceito de magnetização.
Embora os campos Elétrico e Magnético já estivessem intrinsecamente interligados antes da Relatividade esta interligação era um dado experimental. Após a relatividade esta interligação tornou-se uma conclusão teórica. Assim, em um mundo onde existam o campo elétrico (ou magnético) e a teoria da relatividade deve necessariamente haver o campo eletromagnético. Imagine um trem carregado com cargas negativas. A ele é presa uma carga positiva, conforme indica a figura. Em repouso, tanto um passageiro do trem como um observador no solo concordarão acerca da força que atrai a carga positiva e as cargas negativas Em movimento, porém, o observador poderia supor que esta força aumentaria devido à diminuição do comprimento do trem prevista na teoria restrita da relatividade. Haveria, portanto, uma discrepância entre o passageiro e o observador caso não existisse uma misteriosa força de repulsão entre a carga positiva e as cargas negativas. Esta força misteriosa — que aumenta com a velocidade das cargas — é o resultado do que se convencionou chamar de campo magnético.
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No Brasil, a ABNT é o órgão responsável pela padronização de medidas. Existem diversos instrumentos para a medição de campo magnético, entre eles o magnetômetro fluxgate, bobinas de indução e o sondas de efeito Hall. Os instrumentos podem apresentar medida em uma ou três dimensões (nesse caso deve indicar o valor r.m.s. da medida). O sistema de medição para campos magnéticos alternados deve indicar o valor r.m.s. de campos magnéticos uniformes com uma incerteza menor que ± (10% de leitura + 20 nT).
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A exposição a campos magnéticos de grande magnitude e/ou por longos períodos pode ser prejudicial a saúde. A Organização Mundial da Saúde mantém pesquisas sobre os efeitos da exposição a campos elétricos e magnéticos e recomenda que a exposição para público geral a campos magnéticos variáveis no tempo na frequência de 50 a 60 kHz seja de até 83x10-6 T.
