Halliday Fundamentos de Física Volume 3

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1 Halliday Fundamentos de Física Volume 3

2 O GEN Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, LTC, Forense, Método, E.P.U. e Forense Universitária O GEN-IO GEN Informação Online é o repositório de material suplementar dos livros dessas editoras

3 Capítulo 28 Campos Magnéticos

4 O Que Produz um Campo Magnético? Os campos magnéticos podem ser produzidos de duas formas. A primeira forma é usar partículas eletricamente carregadas em movimento, como os elétrons responsáveis pela corrente elétrica em um fio, para fabricar um eletroímã. A corrente produz um campo magnético. A outra forma de produzir um campo magnético é usar partículas elementares, como os elétrons, que possuem um campo magnético intrínseco. Em alguns materiais, os campos magnéticos dos elétrons se somam para produzir um campo magnético no espaço que cerca o material. É por isso que um ímã permanente possui um campo magnético permanente. Na maioria dos materiais, por outro lado, os campos magnéticos dos elétrons se cancelam e o campo magnético em torno do material é nulo.

5 A Definição de B Podemos fazer uma analogia direta com a definição de campo elétrico.

6 A Definição de B Podemos definir um campo magnético B fazendo uma partícula carregada passar pelo ponto onde queremos definir o campo, usando várias direções e velocidades para a partícula e medindo a força que age sobre a partícula nesse ponto. B é definido como uma grandeza vetorial cuja direção coincide com aquela para a qual a força é zero. A força magnética que age sobre uma partícula carregada, FB, é definida através da equação onde q é a carga da partícula, v é a velocidade da partícula e B é o campo magnético. O módulo da força é, portanto, onde é o ângulo entre os vetores v e B.

7 Determinação da Força Magnética

8 A Definição de B A unidade de campo magnético do SI é o tesla (T), que equivale a um newton por coulombmetro por segundo ou um newton por ampère-metro: Uma unidade antiga de campo magnético, que não pertence ao SI mas ainda é usada na prática, é o gauss (G). A relação entre o gauss e o tesla é a seguinte:

9 Linhas de Campo Magnético A direção da tangente a uma linha de campo magnético em qualquer ponto do espaço fornece a direção de B nesseponto. O espaçamento das linhas representa o módulo de B ; quanto mais intenso é o campo, mais próximas estão as linhas, e vice-versa.

10 Exemplo: Força Magnética sobre uma Partícula em Movimento

11 Campos Cruzados: A Descoberta do Elétron 1. Com E = 0 e B = 0 o ponto luminoso não sofre deflexão. 2. Aplicar o campo elétrico E e medir a deflexão resultante do feixe. 3. Mantendo E, ligar agora B e ajustar o seu valor até que o feixe retorne à posição sem deflexão.

12 Campos Cruzados: A Descoberta do Elétron Substituindo a y e t, obtemos Quando os dois campos são ajustados para que a força elétrica e a força magnética se cancelem mutuamente, temos:

13 Campos Cruzados: A Descoberta do Elétron

14 Campos Cruzados: O Efeito Hall A figura mostra uma fita de cobre percorrida por uma corrente i e submetida a um campo magnético. (a) Situação logo depois que o campo magnético é aplicado, mostrando a trajetória curva de um elétron. (b) Situação após o equilíbrio ser atingido, o que acontece rapidamente. Observe que cargas negativas se acumulam do lado direito da fita, deixando cargas positivas não compensadas do lado esquerdo. Assim, o potencial é maior do lado esquerdo. (c) Para o mesmo sentido da corrente, se os portadores de carga fossem positivos, tenderiam a se acumular no lado direito, que ficaria com um potencial maior.

15 Campos Cruzados: O Efeito Hall Ao campo elétrico E que se estabelece entre as bordas da fita está associada uma diferença de potencial onde d é a largura da fita. Quando as forças elétrica e magnética estão em equilíbrio, onde v d é a velocidade de deriva. Além disso, onde J é a densidade de corrente, n é o número de cargas por unidade de volume e A é a área da seção reta dada pela expressão Assim, onde l = A/d é a espessura da fita.

16 Exemplo: Diferença de Potencial em um Condutor em Movimento

17 Exemplo: Diferença de Potencial em um condutor em movimento (continuação)

18 Uma Partícula Carregada em Movimento Circular Considere uma partícula de carga q e massa m que se mova com velocidade v perpendicularmente a um campo magnético uniforme de módulo B. A força magnética age continuamente sobre a partícula; como B e v são sempre perpendiculares, a força faz a partícula descrever uma trajetória circular. O módulo da força magnética que age sobre a partícula é No caso do movimento circular, Elétrons circulando em uma câmara que contém uma pequena quantidade de gás (a trajetória dos elétrons é o anel claro). Na câmara existe um campo magnético uniforme que aponta para fora da tela. A força magnética aponta para o centro do anel. (Cortesia de John Le P. Webb, Sussex University, Inglaterra)

19 Uma Partícula Carregada em Movimento Circular Substituindo o raio, temos Elétrons circulando em uma câmara que contém uma pequena quantidade de gás (a trajetória dos elétrons é o anel claro). Na câmara existe um campo magnético uniforme que aponta para fora da tela. A força magnética aponta para o centro do anel. (Cortesia de John Le P. Webb, Sussex University,Inglaterra)

20 Trajetórias Helicoidais Fig (a) Uma partícula carregada se move na presença de um campo magnético uniforme B com a velocidade da partícula fazendo um ângulo com a direção do campo. (b) A partícula descreve uma trajetória helicoidal de raio r e passo p. (c) Uma partícula carregada se move em espiral na presença de um campo magnético não uniforme. (A partícula pode ser aprisionada, passando a descrever um movimento de vaivém entre as regiões em que o campo é mais intenso.) Observe que nas duas extremidades a componente horizontal da força magnética aponta para o centro da região. O vetor velocidade de uma partícula pode ser separado em duas componentes, uma paralela e outra perpendicular ao campo magnético,. A componente paralela determina o passo p da hélice (distância entre espiras sucessivas na Fig b). A componente perpendicular determina o raio da hélice. Na Fig c, o espaçamento menor das linhas de campo nas extremidades mostra que o campo é mais intenso nessas regiões. Se o campo for suficientemente intenso, a partícula será refletida de volta para o centro. Quando a partícula é refletida nas duas extremidades, dizemos que está aprisionada em uma garrafa magnética.

21 Exemplo: Movimento Helicoidal de uma Partícula em um Campo Magnético

22 Exemplo: Movimento Circular Uniforme de uma Partícula em um Campo Magnético

23 28.7 Cíclotrons Suponha que um próton, injetado pela fonte S situada no centro do cíclotron na Fig , esteja inicialmente se movendo em direção ao dê da esquerda, negativamente carregado. O próton é atraído pelo dê e entra nele. Depois de entrar, fica isolado do campo elétrico pelas paredes de cobre do dê; em outras palavras, o campo elétrico não penetra nas câmaras. O campo magnético, porém, não está sujeito aos efeitos das paredes de cobre (um metal não magnético) e, portanto, age sobre o próton, fazendo com que descreva uma trajetória semicircular cujo raio, que depende da velocidade, é dado por r = mv/ q B). Suponha que no instante em que o próton chega ao espaço central, proveniente do dê da esquerda, a diferença de potencial entre os dois dês seja invertida. Nesse caso, o próton é novamente atraído por um dê negativamente carregado e é novamente acelerado. O processo continua, com o movimento do próton sempre em fase com as oscilações do potencial, até que a trajetória em espiral leve a partícula até a borda do sistema, onde uma placa defletora a faz passar por um orifício e deixar um dos dês. A frequência f com a qual a partícula circula sob o efeito do campo magnético (e que não depende da velocidade) pode ser igual à frequência f osc do oscilador elétrico, ou seja,

24 O Síncrotron O cíclotron não funciona bem no caso de prótons com uma energia maior que 50 MeV. Além disso, para prótons de 500 GeV e um campo magnéticode 1,5 T, o raio da circunferência é 1,1 km, o que exigiria um eletroímã de tamanho descomunal. O síncrotron foi criado para resolver esses dois problemas. Em vez de possuírem valores fixos como no cíclotron, o campo magnético e a frequência do oscilador variam com o tempo enquanto as partículas estão sendo aceleradas. Quando isso é realizado de forma correta, (1) a frequência de revolução das partículas permanece em fase com a frequência dooscilador; (2) as partículas descrevem uma trajetória circular em vez de espiral. Mesmo assim, no caso de partículas de alta energia, o raio da trajetória não pode deixar de ser grande. O síncrotron do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), em Illinois, desligado em 2011, tinha uma circunferência de 6,3 km e podia produzir prótons com uma energia da ordem de 1 TeV (= ev).

25 Exemplo: Acelerando uma Partícula Carregada em um Cíclotron

26 Força Magnética em um Fio Percorrido por Corrente

27 Força Magnética em um Fio Percorrido por Corrente Considere um trecho de fio de comprimento L. Após um intervalo de tempo t = L/v d, todos os elétrons de condução desse trecho passam pelo plano xx da Fig A carga que passa pelo plano nesse intervalo é dada por Nesse caso, Para qualquer orientação de B em relação a v d obtemos

28 Força Magnética em um Fio Percorrido por Corrente Em módulo, podemos escrever Para um fio curvo, podemos calcular a força df B em uma porção infinitesimal dl do fio.

29 Exemplo: Força Magnética em um Fio Percorrido por Corrente

30 Torque em uma Espira Percorrida por Corrente As duas forças magnéticas, F e F, produzem um torque que faz a espira girar em torno do eixo central.

31 Torque em uma Espira Percorrida por Corrente Para definir a orientação da espira mostrada em (a) em relação ao campo magnético, usamos um vetor normal n que é perpendicular ao plano da espira. A figura (b) ilustra o uso da regra da mão direita para determinar a orientação de n. Na figura (c), o vetor normal é mostrado fazendo um ângulo com a direção do campo magnético. No lado 2 da espira, o módulo da força é mas essa força é cancelada pela força a que está submetido o lado 4. O módulo das forças que agem sobre os lados 1 e 3 é o mesmo,

32 Torque em uma Espira Percorrida por Corrente mas, como é mostrado em (c), as duas forças não estão aplicadas ao longo da mesma reta e por isso produzem um torque, dado por No caso de uma bobina formada por N espiras de área A = ab, o torque total que age sobre a bobina é Onde É o momento de dipolo magnético da espira

33 Torque em uma Espira Percorrida por Corrente Sendo assim, podemos escrever Que em notação vetorial pode ser escrito como O que é análogo ao torque sobre um dipolo elétrico

34 O Momento Magnético Dipolar Definição: onde N é um número de espiras da bobina, i é a corrente na bobina e A é a área envolvida pelas espiras da bobina. Direção: O momento magnético dipolar aponta na direção da normal ao plano da bobina. A definição de torque pode ser escrita na forma Como no caso do dipolo elétrico, um dipolo magnético submetido a um campo magnético externo tem uma energia que depende da orientação relativa entre o momento magnético dipolar e o campo magnético: A energia do dipolo magnético tem o valor mínimo ( B cos 0 = B), quando o momento dipolar aponta na direção do campo magnético, e o valor máximo ( B cos 180 = + B) quando o momento dipolar aponta na direção oposta.

35 O Momento Magnético Dipolar De acordo com as equações acima, a unidade de momento dipolar magnético pode ser o ampèremetro quadrado (A. m 2 ) ou o joule por tesla (J/T).