Física 3 (EMB5043): Campo magnético
MATERIAL DE APOIO PARA CURSO PRESENCIAL
Prof. Diego Alexandre Duarte
Universidade Federal de Santa Catarina | Centro Tecnológico de Joinville
Sumário
• Campo magnético
• Produzido por corrente
• Lei de Biot-Savart
• Lei de Biot-Savart
• Campo magnético produzido por fio infinito
• Campo magnético produzido por fio curvilíneo
• Campo magnético de uma bobina
• Força entre fios com correntes
• Canhão eletromagnético
• Lei de Ampère
• Fio longo percorrido por corrente
• Solenóide
• Toróide
• Resolução de problemas da Lista 9
Material para estudos
• Capítulo 29 do Halliday volume 3 e capítulo 8 do Moysés volume 3.
• Estudar os problemas da Lista 9 que está disponível em diegoduarte.paginas.ufsc.br.
Campo magnético
PRODUZIDO POR CORRENTE
Oersted descobre que fios com corrente produzem campo magnético, em 1819.
Apresenta o resultado em 1820 numa reunião da Academia de Ciências da França.
Hans Christian Oersted André-Marie Ampère
Ampère assiste a apresentação e inicia uma série de experimentos sobre o tema. Uma semana depois, descobre a atração magnética
entre fios com correntes no mesmo sentido.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Han s_Christian_%C3%98rsted
https://pt.wikipedia.org/wiki/And r%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re
Campo magnético
LEI DE BIOT-SAVART
Para calcular o campo magnético produzido por fio com corrente, usa-se a lei de Biot-Savart:
0
2
ˆ 4
ids r
dB r
µ π
= ×
em que ids é um vetor obtido a partir de uma reta tangente ao
Jean-Baptiste
Biot Félix Savart
https://brasilescola.uol.com.br /fisica/a-lei-biotsavart.htm
em que ids é um vetor obtido a partir de uma reta tangente ao elemento ds e com o mesmo sentido da corrente i. O vetor r é definido do elemento ds até o ponto onde deseja-se calcular o campo magnético. O vetor ids e o vetor r formam um ângulo θ entre si. Note que estes vetores são coplanares; logo, o campo magnético é perpendicular ao plano.
A constante μ0 é chamada de permeabilidade magnética e indica o quão magnetizável é um dado meio:
7 1
0 4 10 T m A µ = π× − ⋅ ⋅ −
Lei de Biot-Savart
CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR FIO INFINITO
0
2
ˆ 4
ids r
dB r
µ π
= ×
Para calcular o campo em P, usamos a lei de Biot-Savart:
em que r = s2 + R2 e :
( ) ( )
0 0
2 2 2 2
ˆ sin sin
4 4
ids r ids
dB s R s R
µ θ µ θ
π π
= =
+ +
ˆ 1 r =
O termo sin θ é dado pela relação de arco duplo:
( ) ( )
4π s +R 4π s +R
( o ) ( o) ( ) ( ) ( o)
sin 180 − =θ sin 180 cos θ −sin θ cos 180 =sinθ
2 2
sin R R
r s R
θ = =
+ ( )
0
2 2 32
4 dB iRds
s R
µ
= π
+
Logo: (1) que pode ser, então, representado por:
Lei de Biot-Savart
CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR FIO INFINITO
O campo magnético total em P é obtido a partir da integração da equação (1):
A integração desta equação é similar aos procedimentos estudados em aulas anteriores:
( )
0
2 2 32
4
iR ds
B
s R
µ π
+∞
−∞
=
∫ +
+∞
Os limites caracterizam um fio infinito
( ) ( )
0 0 0
2 2 12
0
2 2 1 0 2
i s i i
B R s R R R
µ µ µ
π π π
+∞
= = − =
+
0
2 B i
R µ
= π
Lei de Biot-Savart
CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR FIO CURVILÍNEO
O campo magnético em C é dado por:
em que e r = R:
0
2
ˆ 4
ids r
dB r
µ π
= ×
ds ⊥ rˆ
µ0 ids 4 2
dB ids
R µ
= π
O elemento ds representa o comprimento do arco de circunferência e, desta forma, podemos escrever
0 0 0
2 2
4 4 4
i i i
dB ds Rd d
R R R
µ µ µ
φ φ
π π π
= = =
0
4 B i
R µ φ
= π
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA 2
O campo magnético é dado por:
em que e ds = dx; logo:
0
2
ˆ 4
ids r
dB r
µ π
= ×
ids
r
θ
• B
2 2
r = R + x
sin µ idx θ
ids
x dB = 4µπ0 (idxR2 +sinxθ2)
O termo sin θ é dado por :
O campo magnético no ponto P2 será:
2 2
sin R
R x
θ =
+ ( ) ( )
0 0
3/ 2 3/ 2
2 2 2 2
4 4
iR
iRdx dx
dB
R x R x
µ µ
π π
= =
+ +
( ) ( )
0 0
3/ 2 1/ 2
2 2 2 2
4 0 4
iR L dx i L
B R x R R L
µ µ
π π
= =
+ +
∫
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA 2
Substituindo os valores, obtemos:
Podemos fazer o cálculo similar para determinar o campo magnético no ponto P1:
( )
( )( )
( )
( )
( ) ( )
7 0
1/2 1/ 2
2 2 2 2
4 10 0, 693 0,136
132 nT
4 4 0, 251 0, 251 0,136
i L
B R R L
µ π
π π
× −
= = =
+ +
( ) ( )
2 2
0 0
3/ 2 3/ 2
2 2 2 2
2 0
4 2
L L
L
iR dx iR dx
B
R x R x
µ µ
π π
+ +
−
= =
+ +
∫ ∫
( )
( )
( )2
0 0 0
1/ 2 1/ 2 1/ 2
2 2 2 2 2 2
0
2 144 nT
2 2 2 4
4
L
i x i L i L
B R R x R R L R R L
µ µ µ
π π π
+
= = = =
+ + +
Função par
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA10
O campo magnético é dado por:
e o módulo do campo magnético total produzido por uma bobina é:
r r
• ×
• ×
r
dB dB dB
T
r Vista frontal
0
2
ˆ 4
N ids r
dB r
µ π
= ×
θ
θ a/2
ids ids
• ×
ids ids dBT = 2dBcosθ
O campo magnético produzido pelas duas bobinas é o dobro do campo produzido por uma. Assim:
o
0 0
2 3
ˆ sin 90
2 cos 2
T
ids r
N N iads
dB r r
µ µ
π θ π
= =
a
em que cos θ = a/r e r = a2 +( )a2 2 = a2 +( )a2 2 = 54 12 a
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA10
O elemento ds é integrado ao longo do perímetro da bobina:
3
32
0 0 0
3 3 2
2 3
4
2 2 5 5 2
4
T
r
N iads N iads N ids
dB r a
a
µ µ µ
π π π
= = =
r3
3 3
2 2
0 0
2 0
4 4
5 2 5 2
a T
Ni Ni
B ds
a a
µ π µ
π
=
∫
= 3 3
2 2
0 0
4 4
ˆ ˆ
2 2
5 2 5
O T
Ni Ni
B B z z
a a
µ µ
= = =
Considerando as duas bobinas, obtemos o campo magnético produzido no ponto O:
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA10 – ANÁLISE
• ×
r
dB dB dB
T
r Vista frontal
Considerando que o ponto está numa posição y qualquer ao longo do eixo y temos:
o
0 0
2 3
ˆ sin 90
2 cos 2
T
ids r
N Niads
dB r r
µ µ
π θ π
= =
θ
θ z em que cos θ = a/r e . Logo:r = a2 +z2
×
•
iL iL
θ z
a ( )
0 0
3 3
2 2 2
2 2
T
Niads Niads
dB r a z
µ µ
π π
= =
+ Similarmente ao caso anterior, obtemos (para uma bobina):
( ) ( )
2 0
2 2 32
2
z
B z Nia
a z
= µ
+
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA10 – ANÁLISE
Para simular as figuras ao lado, foram consideradas as seguintes condições:
μ0Ni/2 = 1 T·m a = 1,0 m
(T)
( ) ( )
2 0
2 2 32
2
z
B z Nia
a z
= µ
+
a = 1,0 m
Região de análise: −4,0 m ≤ z ≤ 4,0 m Distâncias de separação: 1,0 e 1,5 m
Lei de Biot-Savart
CAMPO MAGNÉTICO DE UMA BOBINA dB ∝ ids×rˆ
r × ids
dB
× r
ids
π/2
dB
r ×
ids dB
π
× r
ids
3π/2
dB dB
dB
dB
dB
ids
Força entre fios paralelos
Considerando que a distância de separação é muito menor que o comprimento dos fios, podemos assumir que o campo magnético que o fio a produz sobre o fio b é dado por:
0
2
a a
B i
d µ
= π
Pela regra da mão direita, podemos concluir que B está para baixo na região onde encontra-se z
x y
Pela regra da mão direita, podemos concluir que Ba está para baixo na região onde encontra-se o fio b. Como o fio b possui corrente ib e está numa região com campo magnético Ba, sofrerá a atuação de uma força magnética Fba:
Similarmente, o fio a sofre a atuação da mesma força:
0 0
2 2
a a b
ba b a b
i i i L F i LB i L
d d
µ µ
π π
= = =
0 0
2 2
b a b
ab a b a
i i i L F i LB i L
d d
µ µ
π π
= = = Observação:
- Correntes no mesmo sentido: atração - Correntes no sentido oposto: repulsão
i j
k +
−
Força entre fios paralelos
CANHÃO ELETROMAGNÉTICO
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA 6
× B F1
As forças F2 e F4 são iguais; porém F1 é maior que F3:
em que o campo magnético produzido pelo fio superior é dado por:
( ) ( )
1 3 2 2
Fr = −F F = i LB a −i LB a+b
i2
( ) 0 1i
B y µ
= π
F2
F3
F4
com y representando a distância a partir do eixo. Logo:
( ) 2 B y = πy
( )
0 1 0 1
2 2
2 2
r
i i
F i L i L
a a b
µ µ
π π
= − +
( )
( )( )( )( )
( )( )
0 1 2 1 1 0 1 2 0 30 20 0, 08 0,3
3, 2 mN
2 2 2 0, 01 0, 09
r
i i L i i bL
F a a b a a b
µ µ µ
π π π
= − + = + = =
Lei de Ampère
James Clerk Maxwell
Considere uma região com correntes saindo do plano delimitadas por uma curva fechada:
0 env C
B ds⋅ = µ i
∫
em que ienv é a corrente envolvida
https://pt.wikipedia.org/wiki/James_Cler k_Maxwell
em que ienv é a corrente envolvida pela amperiana.
A lei de Ampère será utilizada para resolução de problemas simétricos, i.e., onde o campo magnético B é paralelo ao caminho de integração (1º passo) e não depende do caminho ds (2º passo). Logo:
em que s é o caminho total de integração.
0 0
env env
C
B ds Bds B ds Bs i B i
s µ µ
⋅ = = = = ∴ =
∫ ∫ ∫
Lei de Ampère
FIO LONGO PERCORRIDO POR CORRENTE – CAMPO EXTERNO
Considere um fio infinito com corrente i saindo do plano.
O campo magnético é dado pelo lei de Ampère:
O campo magnético produzido é paralelo e independente do elemento de integração ds. Logo:
0 env C
B ds⋅ =µ i
∫
do elemento de integração ds. Logo:
0i
B s
= µ
em que s representa o caminho total de integração, i.e., o perímetro do caminho:
0
2 B i
r µ
= π
Lei de Ampère
FIO LONGO PERCORRIDO POR CORRENTE – CAMPO INTERNO
A curva amperiana delimina parte da corrente que
atravessa o fio. Assumindo que a densidade de corrente é constante, a corrente envolvida é dada por:
Logo:
2
2 2 2
env
env
i i r
J i i
R r R
π π
= = ∴ =
Logo: 2
0 env 0 2
C
B ds i i r
µ µ R
⋅ = =
∫
Assumindo as duas condições de simetria, obtemos:
( )
2 2
0 0 0
2 2 2
2 2
ir ir ir
B sR r R R
µ µ µ
π π
= = =
Lei de Ampère
FIO LONGO PERCORRIDO POR CORRENTE – ANÁLISE
( )
0
2 para 0 2
ir r R
R µ
π ≤ ≤
( ) 2
0
2
para 2
B r R
i r R
r π
µ π
=
≥
Lei de Ampère
SOLENÓIDE
0 0 0
b c d a
C a b c d
B ds B ds B ds B ds B ds
= = =
⋅ = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅
∫ ∫ ∫ ∫ ∫
Assumindo um solenoide extenso (comprimento muito maior que o diâmetro):
0
b b h
C a a
B ds⋅ = B ds⋅ = Bds = B ds = Bh
∫ ∫ ∫ ∫
Lei de Ampère
SOLENÓIDE
Assumindo um solenoide extenso (comprimento muito maior que o diâmetro):
0 C
B ds⋅ =Bh = µ Ni
∫
0
0
B Ni i
h
µ µ η
= =
em que η representa a densidade de espiras do solenóide (espiras/m).
Lei de Ampère
TORÓIDE
O campo magnético dentro do toróide é circular. Logo:
0 C
B ds⋅ = Bds = Nµ i
∫ ∫
considerando que o dispositivo possui N espiras.
*A corrente envolvida pela amperiana é Ni.
0 0
2
N i N i
B s r
µ µ
= = π
Resolução de problemas
LISTA 9, PROBLEMA 8
O elétron está em movimento circular devido a força magnética causada pelo campo magnético:
×
×
×
×
×
×
×
×
B
•v r
( )
2
0
qvB m v qv i
R µ η
= =
que fornece:
mv2 mv
×
×
× ×
×
×
×
×
×
×
× 2
0 0
mv mv
i = qvµ ηR = qµ ηR
Substituindo os valores do enunciado, obtemos:
( )( )
( )( )( )
11 8
7
0, 57 10 0, 0460 3 10
0, 272 A 4 10 10000 0, 0230
i π
−
−
× × ×
= =
×
Dúvidas?
diego.duarte@ufsc.br Skype: diego_a_d
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