Como funcionam os campos magnéticos: polos, linhas de campo e bússolas

Polos e as duas regras básicas

Todo ímã comum tem duas extremidades onde a atração é mais forte. Nós as chamamos de polo norte e polo sul. Corte um ímã em forma de barra ao meio e você não terá uma parte norte e uma parte sul. Terá dois ímãs menores, cada um com seu próprio par de polos.

As forças entre os polos seguem uma regra simples: polos iguais se repelem e polos diferentes se atraem. Duas extremidades norte se afastam, duas extremidades sul se afastam, e uma extremidade norte é atraída por uma extremidade sul.

É por isso que um ímã pode tanto atrair quanto repelir, algo que a gravidade nunca faz. Isso também ajuda a entender por que os polos sempre vêm em pares: um ímã é um dipolo.

O que é um campo magnético.

Um ímã muda o espaço ao seu redor. Em cada ponto há um campo magnético, representado por B, que tem uma resistência e uma direção. Nós o medimos em tesla (T). Um ímã de geladeira produz alguns milésimos de tesla perto de sua superfície. O campo da Terra no solo é de apenas cerca de cinquenta milionésimos de tesla.

Outro ímã ou um pedaço de ferro colocado nesse espaço sente uma força por causa do campo naquele local. O campo é o que transmite a interação através do espaço entre eles. Essa é uma ideia mais poderosa do que dizer que "os ímãs puxam uns aos outros", porque ela continua funcionando mesmo quando você remove o segundo ímã: o campo ainda está lá.

Lendo as linhas de campo

Não podemos ver um campo, então desenhamos linhas de campo. Algumas regras facilitam a leitura:

• a linha em qualquer ponto mostra a direção para a qual o campo aponta ali,
• as linhas saem do polo norte e entram no polo sul, e
• linhas bem próximas umas das outras indicam um campo mais forte, enquanto linhas mais espalhadas indicam um campo mais fraco.

Espalhe limalhas de ferro sobre um papel colocado em cima de um ímã de barra, e cada pequena limalha se transforma em um miniímã que se alinha com o campo. Elas se reúnem no mesmo padrão curvo mostrado nos diagramas, mais concentradas perto dos polos e mais espaçadas longe deles. As linhas de campo nunca se cruzam, porque o campo em um ponto só pode apontar em uma direção.

As bússolas leem o campo

A agulha de uma bússola é um pequeno ímã que pode girar livremente. Sua extremidade norte gira para apontar ao longo do campo local. Assim, a bússola funciona como um detector da direção do campo, permitindo mapear um campo ponto a ponto. Longe de ímãs próximos, o campo que ela sente é o da Terra, e é por isso que a agulha se acomoda apontando para o norte geográfico. Como polos opostos se atraem, a parte da Terra próxima ao polo norte geográfico se comporta como um polo magnético sul.

Por que o campo enfraquece tão rápido

Longe de um ímã pequeno, o campo diminui como 1 / r³, em que r é a distância a partir do seu centro. Dobre a distância, e o campo diminui para um oitavo. Triplique-a, e você chegará a um vinte e sete avos.

A razão é a estrutura do dipolo. Um ímã tem um polo norte e um polo sul próximos um do outro e, de longe, seus efeitos se cancelam parcialmente. Compare isso com a regra mais simples 1 / r² para uma única fonte isolada. Um dipolo não tem uma única fonte para acompanhar, então o efeito restante diminui mais rapidamente.

É por isso que um ímã forte pode levantar um prego a poucos milímetros de distância, mas não tem efeito a um metro. A simulação mostra isso como um campo que fica mais fraco rapidamente no momento em que você afasta sua sonda.

Adicionando campos e pontos neutros

Quando dois ímãs ficam próximos um do outro, seus campos se somam como vetores, ponto a ponto. Isso se chama superposição. Se dois campos apontam na mesma direção, eles se fortalecem. Se apontam em direções opostas com o mesmo tamanho, eles se cancelam.

Um local onde o campo total é exatamente zero é um ponto neutro. Uma bússola colocada ali não tem uma direção preferida, então a agulha pode ficar em qualquer orientação. Você pode encontrar esses pontos apontando dois polos iguais um para o outro: os campos fazem força em sentidos opostos e, em algum ponto entre os ímãs, entram em equilíbrio.

Conceitos errôneos comuns

• "Os ímãs atraem tudo que é metal." Apenas alguns materiais, principalmente ferro, níquel e cobalto, respondem fortemente. Latas de alumínio e moedas de cobre não grudam.
• "A bússola aponta para um polo do ímã que está perto dela." Ela aponta ao longo do campo local, que é curvo. Perto de um ímã, ela pode apontar para uma direção bem diferente da do polo mais próximo.
• "As linhas de campo são fios de verdade." Elas são uma ferramenta de desenho. O campo existe em todos os lugares, não apenas ao longo das linhas.
• "O polo norte da Terra é um polo magnético norte." Em termos de ímãs, ele é o oposto, como mostra a lógica da bússola acima.

Como explorar isso no laboratório.

O Laboratório de Campos permite colocar ímãs, arrastar sondas e observar o campo em 3D. Uma ordem sugerida para explorar o primeiro mundo gratuito:

1. Teste a regra de empurrar e puxar em Polos e forças.
2. Desenhe o invisível com Linhas de campo e limalha de ferro.
3. Veja por que uma agulha gira em A bússola e o campo da Terra.
4. Meça a queda em Os campos enfraquecem rapidamente e depois procure pontos nulos em Pontos neutros.

O laboratório é um modelo didático simplificado, com ímãs idealizados, por isso os formatos são mais organizados que os campos confusos de ímãs reais e irregulares. Mesmo assim, as ideias continuam válidas.