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CAPÍTULO 9­ A LEI DE AMPÈRE 

9.1  Lei de Biot – Savart 

Quando  uma  carga  puntual    move‐se  com  velocidade  ,  ela  produz um campo magnético   no espaço dado por 

4

̂

        9.1   ̂  é  um  vetor  unitário  que  aponta  da  carga    para  o  ponto  P  onde  estamos  medindo  o  campo  e    é  uma  constante  de  poporcionalidade  chamada a permeabilidade do espaço livre2, que tem o valor  

4 10 / 4 10 /         9.2   As  unidades  de    são  tais  que    está  em  Tesla  quando    está  em  Coulombs,    em  metros  por  segundo,  e    está  em  metros.  A  unidade  /   vem  do  fato  que  1 1  / · .  A  constante  1/4   é  arbitrariamente incluida na Equação (9.2) de modo que o fator 4  não  aparecerá na lei de Ampère, a ser discutida na próxima seção. 

Na  Equação  (9.1)  trocando    por  ,  obtemos  o  campo  magnético   gerado pelo elemento de corrente no ponto   é dado pela  expressão  4 ̂         9.3          2 Devemos tomar cuidado para não confundir a constante   com o momento  magnético  . 

 

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Figura  9.1  (a)  O  campo  magnético    no  ponto    devido  a  corrente    fluindo  através  do  elemento  de  comprimento    é  dado  pela  lei  de  Biot  –  Savart.  A  direção do campo está saindo da página em   e entrando na página em  ’. (b) O  produto vetorial  ̂ aponta para fora da página quando  ̂ aponta em direção  a  . (c) O produto vetorial  ̂ aponta para dentro da página quando  ̂ aponta  em direção  . 

Exemplo resolvido 

Veja  Figura  9.1  para  detalhes  sobre  a  geometria  do  problema.  A  Equação  (9.3)  é  conhecida  como  a  lei  de  Biot  –  Savart  que  é  para  o  magnetismo, o  mesmo que a lei de Coulomb é para a eletrostática. 

O  campo  magnético  total  ,  criada  em  algum  ponto  por  uma  corrente  de  tamanho  finito,  é  determinado  somando  as  constribuições  de  todos  os  elementos  de  corrente    que  formam  a  corrente.  Integrando a Equação (9.3) obtemos 

4

̂

        9.4  

com a integração sendo realizada sobre toda a distribuição de corrente.  Para  ilustrar  os  cuidados  no  manuseio  da  integral  na  Equação  (9.4), uma vez que o seu integrando envolve um produto vetorial, vamos  apresentar o Exemplo resolvido abaixo. 

 

Considere um fio fino, reto portando uma corrente constante   e  colocado ao longo do eixo   como mostrado na Figura 9.2. Determine o  módulo  e  direção  do  campo  magnético  no  ponto    devido  a  esta  corrente. 

 

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Figura  9.2  (a)  Fio  fino,  reto,  transportando  uma  corrente  .  O  campo  magnético no ponto   devido à corrente em cada elemento   do fio aponta  para  fora  da  pagina,  de  modo  que  o campo  total no  ponto    está  também  apontando  para  fora  da  pagina.  (b)  Os  angulos    e  ,  são  usados  para  determinar  o  campo  total.  Quando  o  fio  é  infinitamente  longo,  0  e 

180 . 

Solução 

A  direção  do  campo  magnético  no  ponto  P  devido  a  corrente  no  elemento  de  comprimento    está  apontando  para  fora  da  página  porque  ̂ aponta para fora da página. De fato, uma vez que todos  os  elementos  de  corrente    estão  no  plano  da  página,  eles  todos  produzem um campo magnético dirigido para fora da pagina no ponto P.  Assim,  temos  a  direção  do  campo  magnético  no  ponto  ,  precisamos  agora apenas determinar o módulo do campo. 

Tomando  a  origem  em    e  fazendo  o  ponto  P  está  ao  longo  do  eixo    positivo,  com    sendo  o  vetor  unitario  apontando  para  fora  da  pagina, vemos que  

̂ ̂ sen  

onde  ̂   representa  o  módulo  de  ̂.  Como  ̂  é  um  vetor  unitario, a unidade do produto vetorial é simplesmente a unidade de  ,  que  é  o  comprimento.  A  substituição  da  expressão  acima  na  Equação  (9.4) resulta em 

4

sen

        9.5  

Para resolver esta integral devemos relacionar as variáveis  ,   e  . Da  geometria do problema tiramos que 

 

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Figura  9.3  O  campo  magnético  em    devido  a  corrente  no  segmento  curvo    está  entrando  na  pagina. A contribuição para o campo em   devido à  corrente nos dois segmentos retos é zero. 

sen csc        9.6   Porque  tan /   para  o  triangulo  da  direita  na  Figura  9.2  (a)  (o  sinal  neativo  é  necessário  porque    está  localizada  em  um  valor  negativo de  ), temos  cot        9.7   Tomando a derivada desta expressão obtemos  csc         9.8   Substituindo os resultados (9.6) e (9.8) na Equação (9.5) ficamos com  4 csc sin csc 4 sin         4 cos cos         9.9   Para o caso especial em que tomamos um fio infinitamente longo (veja a  Figura  9.2  (b)  para  um  melhor  entendimento),  temos  que  0  e    para  a  soma  de  elementos  de  comprimento  entre  as  posições 

∞  e  ∞.  Como  cos cos cos 0 cos 2,  a 

Equação (9.9) torna‐se  2         9.10   Vemos deste resultado que o módulo de   é proporcional ao módulo da  corrente e decresce com o aumento da distância ao fio    Exercício Calcule o módulo do 

campo  magnético  a  4,0    de  um  fio  infinitamente  longo,  reto  e  portando  uma  corrente de 4,0  . 

Resposta  2,5 10    

Exercício  Calcule  o  campo 

magnético no ponto   para o  segmento  de  fio  portando 

 

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Figura  9.4  Geometria  para  calcular  o  campo  magnético  em    estando  sobre  o  eixo  de  uma  espira  de  corrente.  Por  simetria,  o  campo total   está ao longo do eixo. 

corrente mostrado na Figura 9.3. O fio coniste de duas porções retas e  um arco circular de raio  , que subtende um ângulo  . As setas sobre o  fio indicam a direção da corrente 

 Resposta    / 4    é entra na página 

Exercício  Uma  espira  circular  de  raio  formada  por  um  fio  porta  uma 

corrente  . Qual é o módulo do campo magnético no seu centro? 

Resposta   /2  

Exercício  Considere  um  espira  circular  de  raio    formada  por  um  fio, 

localizada  no  plano    e  portando  uma  corrente  estacionária  ,  como  mostrado na Figura 9.4. Calcule o campo magnético em um ponto axial P  a uma distância x do centro da espira 

Resposta           em    0  

Do  Exemplo  resolvido  vemos  que  o  campo  magnético,  na  vizinhança  de  um  fio  infinitamente  longo  e  portando  uma  corrente  ,  possui o mesmo valor para pontos equidistantes do fio e com a direção  sempre tagente ao circulo que envolve o fio, como mostra a Figura 9.5.  

O  sentido  do  campo  em  torno  do  fio  é  indicado  pela  direção  da  ponta  dos  dedos  da  mão  direita  envolvendo  o  fio,  com  o  polegar 

 

174

 

Figura  9.5  A  regra  da  mão  direita  para  determinar  a  direção  do  campo  magnético  em  torno  de  um  fio  longo,  reto  e  portando  uma  corrente  .  As  linhas do campo magnético formam círculos em torno do fio. 

apontado no sentido da corrente. Vamos agora apresentar um método  que explora a simetria apresentada na Figura 9.5.