Campo magnético - espira e solenoide: Direção, sentido e vetor

João Freitas da Silva, Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
(Material atualizado em 01/08/2013, às 13h25)

Quando ligamos as extremidades ou pontas de um fio condutor temos uma espira. De uma forma geral, a espira é sempre representada por uma figura plana - como um retângulo, um triângulo, uma elipse ou um círculo.

No caso da espira circular, o campo magnético associado a ela apresenta as seguintes características no seu centro:

  • Direção: perpendicular ao plano da espira.
  • Sentido: é obtido utilizando-se a Lei de Ampère, regra da mão direita. Aqui, consideramos cada trecho da espira como se fosse um pedaço de fio reto e longo.
  • Intensidade: pode ser calculada pela expressão: B = μ . i 2 . r . Aqui, r é o raio da circunferência formada pela espira.

 

 

 

 

 

 

 

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Se considerarmos várias voltas iguais em torno da mesma circunferência, teremos uma superposição de espiras (bobina chata ou plana) - e o valor da intensidade do campo magnético no centro da bobina será dado por: B = N . μ . i 2 . r , onde N representa o número de espiras que formam a bobina. Isso ocorre quando o comprimento da bobina for pequeno, comparado com o seu raio.

Devemos notar que um observador colocado acima da espira vai enxergar as linhas de campo saindo. E essa parte representa o pólo norte do ímã (espira circular percorrida por corrente elétrica). Já quem estiver abaixo verá as linhas de campo entrando - e essa parte representa o pólo sul do ímã.

Essas regiões podem ser representadas da seguinte maneira:

  • Campo saindo da espira (.) [pólo norte]

 

 

 

 

  • Campo entrando na espira (x) [pólo sul]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Campo magnético em um solenoide

Podemos considerar um solenoide como um enrolamento de fio condutor que acompanha ou envolve a superfície de um cilindro. Esse condutor enrolado na forma helicoidal também é chamado de bobina longa e, diferentemente da bobina plana, aqui o comprimento é considerável em relação ao seu raio.

Podemos considerar que cada volta completa desse condutor é uma espira. A figura a seguir mostra isso com a representação das linhas de força num pedaço de um solenoide, bem como o sentido da corrente:

Quando esse condutor é percorrido por uma corrente elétrica, também terá um campo magnético associado a ele e, praticamente, uniforme em seu interior. O solenoide tem suas extremidades associadas aos pólos norte e sul - e um comportamento muito parecido com um ímã natural em forma de barra.

Veja a comparação das linhas de campo de um ímã em barra e de um solenoide com espiras enroladas muito próximas entre si na figura a seguir:

 

 

 

 

 

Quando olharmos atentamente para a primeira figura que mostra o solenoide percebemos que temos vários campos associados a cada "espira" que o compõe. Notamos também que as espiras que estão na parte de cima do desenho apresentam campos magnéticos com sentidos contrários aos das que estão na parte de baixo, devido ao sentido da corrente, que é invertida.

Assim, os campos das espiras de cima anulam o efeito dos campos das espiras de baixo. E, dessa forma, teremos um campo magnético resultante nulo na parte externa do solenoide. Isso ocorre principalmente quando as espiras estão afastadas, mas mesmo no caso em que elas estão mais próximas o campo magnético externo é muito pequeno, se comparado ao campo magnético no interior do solenoide, quando este é muito grande (no chamado caso ideal, o solenoide tem comprimento infinito).

Já no interior do solenoide temos um campo magnético (na verdade um campo resultante) praticamente uniforme (o vetor campo magnético é o mesmo em qualquer ponto) e podemos obter sua intensidade pela seguinte relação: B = μ . N . i l , onde N é o número de espiras e l é o comprimento do solenoide.

Essa expressão pode ser considerada uma aproximação, já que não temos solenoides infinitos, mas ela permite um bom cálculo para a intensidade do campo magnético.

A direção do vetor campo magnético no interior do solenoide é a mesma de seu eixo - e o sentido do campo magnético pode ser fornecido pela regra da mão direita, considerando-se cada volta como uma espira (como vimos nas figuras anteriores).

Quando um pedaço de ferro é introduzido no interior do solenoide, a intensidade do campo magnético aumentará, tornando esse ímã mais potente. Essa é a ideia utilizada na construção de um eletroímã.

 

João Freitas da Silva, Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação é professor de física e mestrando em ensino de física pela USP.

Bibliografia

  • CARRON, Wilson; GUIMARÃES Oliveira. Física, volume único, Editora Moderna, 2ª edição, SP, 2003.
  • GASPAR, Alberto. Física, volume único, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2001.
  • GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO de FÍSICA. Física 3: Eletromagnetismo/GREF, 3ª edição, Edusp, SP, 1998.
  • PARANÁ, Djalma Nunes da Silva; SOROCABA, José Roberto Castilho Piqueira; Andrade, Luís Ricardo Arruda de;
  • CARRILHO, Ronaldo. Física, Coleção Anglo, Ensino Médio, vol. 3, SP, 2002.
  • UENO, Paulo T. Física no cotidiano - Leituras e atividades, vol. 3, Editora Didacta.
  • UENO, Paulo T. Física, Novo Ensino Médio, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2005.


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