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distribuições lineares, superficiais e volumétricas de carga O potencial definido na Eq.4.13 é nulo para pontos infinitamente 

sen                                      8.23   Este torque tende a girar a espira desde que seu plano esteja 

perpendicular a 

  Definindo          8.24   como o momento de dipolo magnético (também referido simplesmente  como momento magnético)o torque pode ser escrito como         8.25   A unidade SI de momento magnético é o   ( ). 

A  Equação  (8.25),  deduzida  para  uma  espira  fechada  retangular,  vale em geral para uma espira plana de forma qualquer. O torque sobre  qualquer espira é o produto vetorial do momento magnético   da espira  e o campo magnético  , onde o momento magnético é definido para ser  um  vetor  que  é  perpendicular  à  área  da  espira  e  tem  modulo  igual  a 

.   

Um bobina circular com raio de 2   possui 10   de fio e porta um  corrente de 3  ; O eixo da bobina faz um ângulo de 30  com um campo  magnético de 8000  . Determine o modulo do torque sobre a bobina.  Solução  O modulo do torque é dado pela Equação (8.25)  sen sen 30   Agora o módulo do momento magnético da bobina é   10 3  0,02  3,77 10       Assim o modulo do torque é  sen 3,77 10   · 0,8  sin 30  

 

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  Figura 8.13  Exemplo resolvido  1,51 10   ·          

Uma  espira  circular  de  raio  ,  massa    e  corrente    está  sobre  uma  superfície  rugosa.  Veja  a  Figura  8.13  (a).  Existe  um  campo  magnético  horizontal  . Quão grande pode ser a corrente   antes que uma borda  da espira levante da superfície? 

Solução 

A  espira  começa  a  levantar  quando  o  torque  magnético  iguala‐se  ao  torque gravitacional (Figura 8.13 (b).  O torque magnético agindo sobre a espira:    O torque gravitacional exercido sobre a espira é    Igualando os torques e resolvendo para  , a corrente, obtemos     

Quando  um  torque  é  exercido  através  de  um  ângulo,  trabalho  é  realizado.  Quando  um  dipolo  é  girado  através  de  um  ângulo  ,  o  trabalho realizado é 

 

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Figura 8.14 

Exemplo Resolvido 

O  sinal  menos  aparece  porque  o  torque  tende  a  diminuir  .  Igualando  este trabalho ao decrescimo da energia potencial, teremos  sen        8.27   Integrando, obtemos  cos ·         8.28   Esta é a expressão da energia potencial de um dipolo magnético fazendo  um ângulo   com um campo magnético  .   

Um  espira  quadrada  com  12    com  lados  de  40    porta  uma  corrente  de  3  .  Ela  está  no  plano  ,  como  mostrado  na  Figura  8.14, imerso  em  um campo uniforme  0,3    ̂ 0,4    . Determine  (a)  O  momento  magnético  das  espira  e  (b)  o  torque  exercido  sobre  a  espira. (c) Determine a energia potencial da espira. 

Solução 

Da  Figura  8.14  vemos  que  o  momento  magnetico  da  espira  está  apontando na direção de   positivo. 

(a) O cálculo do momento magnéticoda espira, usando a Equação (8.24),  fornece 

  12 3 0,40   

 

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(b)  O  calculo  do  torque  sobre  a  espira  de  corrente,  usando  a  Equação 

(8.25) fornece 

5,76  ·   · 0,3    0,4    1.73  ·     (c) A energia potencial, de acordo com a Equação (8.28) é o negativo do  produto interno de   e  : 

· 5,76  · · 0,3    ̂ 0,4    2,30  ̂  Nos  cálculos  acima  usamos  que  0  e  ̂ ̂,  · ̂ 0  e 

· 1 

 

Exercício  Calcule    se  a  espira  gira  de  modo  que    esteja  alinhado  com  .  

Quando  um  pequeno  magneto  permanente  tal  como  a  agulha  de  uma  bussola  é  colocado  em  um  campo  magnético  ,  o  campo  exerce  um  torque  sobre  o  magneto  que  tende  a  girar  o  magneto  de  modo  que  alinhe com o campo. Este efeito também ocorre com limalhas de ferro  não magnetizadas previamente, que torna‐se magnetizada na presença  de um campo  . A barra do magneto é caracterizada por um momento  magnético    que  aponta  do  polo  sul  para  o  polo  norte.  Uma  barra  magnetica pequena assim comporta‐se como uma espira de corrente. A  origem  do  momento  magnético  de  uma  barra  magnética  é,  de  fato,  espiras  microscópicas  de  correntes  que  resultam  do  movimento  de  elétrons nos átomos do magneto. 

 

QUESTÕES 

Q1 Em um dado instante, um próton move‐se na direção   positiva em  uma  região  onde  um  campo  magnético  está  dirigido  na  direção  de    negativo. Qual é a direção da força magnética? O próton continua a se  mover na direção de   positivo? Explique. 

Q2  Duas  partículas  carregadas  são  projetadas  em  uma  região  onde  um  campo  magnético  é  dirigido  perpendicular  às  suas  velocidades.  Se  as 

 

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cargas  são  defletidas  em  direções  opostas,  o  que  pode  ser  dito  sobre 

elas? 

Q3 Se uma partícula carregada move‐se em linha reta através de alguma  região  do  espaço,  podemos  dizer  que  o  campo  magnético  naquela  região é zero? 

Q4  Suponha  que  um  elétron  está  perseguindo  um  próton  acima  da  pagina  quando  subitamente  um  campo  magnético  perpendicular  entrando na pagina é ligado. O que acontece às partículas? 

Q5 Como pode o movimento de uma partícula carregada em movimento  ser  usado  para  distinguir  entre  um  campo  magnético  e  um  campo  elétrico? Dê um exemplo específico para justificar seu argumento.  Q6  Liste  várias  similaridades  e  diferenças  entre  forças  magnéticas  e  elétricas. 

Q7  Justifique  a  seguinte  declaração:  ”É  impossível  para  um  campo  magnético  constante  (em  outras  palavras,  independente  do  tempo)  alterar a velocidade de uma partícula carregada”. 

Q8  Em  vista  da  afirmativa  anterior  (Q7),  qual  é  o  papel  de  um  campo  magnético em um cíclotron? 

Q9  Um  condutor  portando  corrente  experimenta  nenhuma  força  magnética quando colocado de certa maneira em um campo magnético  uniforme. Explique. 

Q10  É  possível  orientar  uma  espira  de  corrente  em  um  campo  magnético  uniforme  tal  que  a  espira  não  tenha  a  tendencia  de  girar?  Explique. 

Q11  Como  pode  uma  espira  de  corrente  ser  usada  para  determinar  a  presença de um campo magnético em uma dada região do espaço?  Q12 Qual é a força resultante agindo sobre a agulha de uma bussola em  um campo magnetico uniforme? 

Q13  Que  tipo  de  campo  magnético  é  exigido  para  exercer  uma  força  resultante  sobre  um  dipolo  magnético?  Qual  é  a  direção  da  força  resultante? 

 

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  Figura 8.15 

  Figura 8.16 

Q14  Um  proton  movendo‐se  horizontalmente entra em uma região  onde  um  campo  magnético  uniforme  está  dirigido  perpendicularmente  à  velocidade do proton, como mostrado  na Figura 8.15. Descreva o movimento  subsequente  do  proton.  Como  um  elétron se comportaria sob as mesmas  circunstancias? 

Q15 Em uma garrafa magnética, o que leva a direção da velocidade das  partículas confinadas a inverterem‐se (Sugestão: Determine a direção da  força  magnética  agindo  sobre  as  partículas  em  uma  região  onde  as  linhas de campo convergem.) 

 

PROBLEMAS 

P1  Compare  as  direções  do  campo  elétrico  e  forças  magnéticas  entre  duas  cargas  positivas,  que se movem ao longo de caminhos paralelos  (a)  na  mesma  direção,  e  (b)  em  direções  opostas. 

P2  Determine  a  direção  inicial  da  deflexão  de  partículas  carregadas  quando  elas  entram  em  campos  magnéticos,  como  mostrado  na  Figura  8.16  P3 Considere um elétron próximo a superfície do equador Terrestre. Em  que direção ele tende a ser defletido se sua velocidade está dirigida (a)  para baixo, (b) para o norte, (c) para o oeste, ou (d) para o sudeste?  P4 Um elétron movendo‐se ao longo do eixo   positivo perpendicular a  um campo magnético experimenta uma deflexão magnética na direção  de   negativo. Qual é a direção do campo magnético? 

P5  Um  próton  desloca‐se  com  uma  velocidade  de  3,00 10   /   fazendo um ângulo de 37,0  com a direção de um campo magnético de 

 

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0,300   na direção  . Quais são (a) o modulo da força magnética sobre 

o próton e (b) sua aceleração? 

P6  Um  próton  move‐se  em  uma  direção  perpendicular  a  um  campo  magnético uniforme   a 1,00 10   /  e experimenta uma aceleração  de 2,00 10 /  na direção  . Determine o modulo e direção do  campo. 

P7 Um próton move‐se com uma velocidade  2 ̂ 4 ̂ /  em  uma região em que o campo magnético é  ̂ 2 ̂ 3   . Qual é o  modulo da força magnética que esta carga experimenta? 

P8  Um  elétron  é  projetado  em  um  campo  magnético  uniforme  1,40 ̂ 2,10 ̂ . Determine a expressão vetorial para aforça sobre  o elétron quando sua velocidade é  3,70 10 ̂  / . 

P9 Um fio tendo uma massa por unidade de comprimento de 0,500  /  porta uma corrente de 2,00   horizontalmente para o sul. Quais são  a  direção  e  módulo  do  campo  magnético  minimo  necessario  para  levantar este fio verticalmente para cima? 

P10 Um fio porta uma corrente estacionária de 2,40  . Uma porção reta  do fio tem comprimento de 0,750   e está ao longo do eixo   dentro de  um  campo  magnetico  uniforme  1,60   na direção   positiva. Se a  corrente está na direção  , qual é a força magnética sobre esta porção  do fio? 

P11  Um  fio  de  2,80    de  comprimento  porta  uma  corrente  de  5,00    em uma região onde um campo magnético uniforme possui módulo de  0,390  . Calcule o  modulo da força  magnética sobre o fio  se o ângulo  entre o campo magnético e a corrente é (a) é 60,0 , (b) 90,0 , (c) 120 .  P12  Uma  pequena  barra  magnética  está  suspensa  em  um  campo  magnético uniforme de 0,250  . O torque máximo experimentado pela  barra magnética é 4,60 10   · . Calcule o momento magnético da  barra. 

 

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Figura 8.17 

P13  Uma  espira  retangular  consiste  de  100  voltas  densamente  empacotadas  com  dimensões  0,400    e  0,300  .  A  espira  está  alinhada  ao  longo  do  eixo  ,  e  seu  plano  faz  um  ângulo  30   com  o  eixo  ,  como  mostrado  na  Figura  8.17.  Qual  é  o  modulo  do  torque  exercido  sobre a  espira por um  campo  magnético uniforme  0,800   dirigido ao longo do eixo   quando a  corrente é  1,20   na direção mostrada? Qual é  a direção esperada de rotação da espira? 

P14  Um  elétron  colide  elasticamente  com  um  segundo  elétron  inicialmente  em  repouso.  Após  a  colisão,  o  raio  de  suas  trajetórias  são  1,00    e  2,40  .  As  trajetórias  são  perpendiculares  a  um  campo  magnético uniforme de modulo 0,044  . Determine a energia (em  )  do elétron incidente. 

P15  Um  próton  movendo‐se  em  um  caminho  circular  perpendicular  a  um  campo  magnético  toma  1,00    para  completar  uma  revolução.  Determine o modulo do campo magnético. 

BIBLIOGRAFIA 

 

TIPLER  P.  A.,  MOSCA  G.  Physics  for  scientists  and  Engineers,  sixth  edition, Freeman, New York, 2008. 

HALLIDAY  D.,  Resnick  R.,  Walker  J.,  Física  Fundamental,  vol  3,  Livros  Técnicos Científicos S. A., Rio de Janeiro, 2004 

HALLIDAY  D.,  RESNICK  R.,  KRANE  S.,  Física  vol.  3,  LTC,  Rio  de  Janeiro,  2000 

HEWITT  P,  Física  Conceitual,  Longman,  9ª  edição,  Rio  Grande  do  Sul,  200x 

NUSSENZVEIG, H. M., Física Básica vol. 3, Edgard Blucher, x Ed., Rio de  Janeiro, 200X 

CUMMINGS K., LAWS P., REDISH E., COONEY P., Understanding Physics,  John Wiley, New York, 2004. 

YOUNG  H.  D.,  FREEDMAN,  R.  A.  Física  3:  Eletromagnetismo,  Pearson,  São Paulo, 2008. 

 

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