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Unidade II ELETRICIDADE BÁSICA Prof. Dr. Francisco Sevegnani Unidade II Bloco 1 Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Partícula de massa m e carga q Em campo gravitacional surge a força peso Em campo elétrico surge a força elétrica g gmP = E EqFe = Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Em campo magnético e carga com velocidade surge a força magnética a) Módulo ou intensidade b) Direção A força magnética é normal ou perpendicular ao plano formado por BvqFm ∧= . vB mF )(... θsenBvqFm = Bev Campo magnético e força magnética I c) sentido O sentido da força é dado pela regra da mão direita se a carga for positiva. Se a carga for negativa, inverte-se o sentido obtido. Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I c) Sentido Outra regra prática para determinar o sentido da força magnética. Campo magnético e força magnética I Propriedades 1. O campo magnético B é gerado por ímãs artificiais e correntes elétricas. 2. Se a velocidade da partícula for zero, a força magnética será zero. 3. Se a velocidade for paralela ao campo magnético, a força magnética será nula. BvqFm ∧= . )(... θsenBvqFm = Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Propriedades 4. A força magnética exercida em partícula livre, quando não nula, é normal à velocidade. Imprime aceleração normal, encurvando a trajetória. Não imprime aceleração tangencial. Não há alteração da velocidade escalar. A força magnética não produz trabalho. BvqFm ∧= . )(... θsenBvqFm = Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I 5. Linhas da campo magnético É toda linha que, em cada ponto, tem a direção e sentido do vetor B. Sendo um elemento vetorial genérico de uma linha de indução Em cada ponto da linha, o campo magnético é tangente no sentido Norte – Sul. As linhas de campo magnético são sempre fechadas sobre si mesmas. O fluxo do campo magnético é sempre nulo. ld 0=∧ ldB Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Força de Lorentz Se uma partícula estiver sujeita simultaneamente a um campo elétrico E e a um campo magnético B, a força resultante é chamada de “Força de Lorentz”. )( BvEqF BvqEqF FFF me ∧+= ∧+= += Campo magnético e força magnética I Movimento de partícula eletrizada em campo magnético. A deflexão de partículas em movimento desempenha função essencial em vários dispositivos, tais como: ciclotron; espectrômetro de massa; bétatron; microscópio eletrônico. Há três casos a considerar: Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I 1. A partícula é lançada na direção do campo. Bv // 000 0)º180(,0)º0( )( ≠=⇒=⇒= == = ∧= ctevaF sensen senBvqF BvqF m m m θ Campo magnético e força magnética I 2. A partícula é lançada em direção perpendicular ao campo. Fm é perpendicular a v e B. Fm é força centrípeta Não há força tangencial O movimento é circular e uniforme BvqF senBvqF senBvqF BvqF m m m m = = = ∧= )º90( )(θ Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I 2. A partícula é lançada em direção perpendicular ao campo v RT v R R vT TPeríodo Bq vmRou m RBqv R vmsenBvq FF centrípetam π ππ ω π 2 222 º90 2 = === == = = Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I 3. A partícula é lançada obliquamente ao campo B Decompor a velocidade em duas componentes: uma perpendicular ao campo, que descreve movimento circular e uniforme; a outra paralelamente ao campo, que descreve movimento retilíneo e uniforme. O movimento resultante será uma hélice Cilíndrica. Campo magnético e força magnética I Exemplo de aplicação 1 1. Uma partícula de massa m e carga elétrica q percorre uma trajetória circular de raio R sob a ação exclusiva de um campo magnético B. Pedem-se: a) a velocidade escalar v, o período T e a energia cinética Ec; b) a tensão V sob a qual a partícula fora previamente acelerada até atingir a velocidade v. Dados: m=6,7.10-27 kg q=3,2.10-19 C R=0,80 m B = 1,4 T Campo magnético e força magnética I Exemplo de aplicação 1 – solução Solução a) b) JvmE s v RT s m m RBqv c 1227272 8 7 7 27 19 10.589,9)10.35,5.(10.7,6 2 1 2 1 10.4,9 10.35,5 8,0.22 10.35,5 10.7,6 8,0.4,1.10.2,3 −− − − − === === === ππ V q vmVvmqV 719 27272 2 10.996,2 10.2,3.2 )10.35,5.(10.7,6 22 1 ===⇒= − − Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Exemplo de aplicação 2 – solução a) b) )(10.14,9 10.14,9 10.8,0.10.6.1 10.17,1 5 5 619 17 0 0 0 0 TkB TB B vq FB iBvqF kBjvqF BvqF − − − − −= −= ℑ − = − = −= ∧−= ∧= st t v RTt AB AB AB 7 6 0 10.98,0 10.8,0.2 05,0. 2 2 1 2 1 −= = == π π Campo magnético e força magnética I NF F R vmF 17 2631 2 0 10.167,1 05,0 )10.8,0.(10.11,9 − − = = = Interatividade Uma partícula eletrizada de massa m e carga elétrica q é lançada com velocidade v perpendicularmente à direção de um campo magnético uniforme de intensidade B e percorre uma trajetória circular de raio R. O período T do movimento vale: Dados: m = 0,002 kg q=0,008 C B=0,5 T v = 5 000 m/s a) 5 s b) 8,14 s c) 2,5 s d) 3,14 s e) 3,5 s Resposta Uma partícula eletrizada de massa m e carga elétrica q é lançada com velocidade v perpendicularmente à direção de um campo magnético uniforme de intensidade B e percorre uma trajetória circular de raio R. O período T do movimento vale: Dados: m = 0,002 kg q=0,008 C B=0,5 T v = 5 000 m/s a) 5 s b) 8,14 s c) 2,5 s d) 3,14 s e) 3,5 s Unidade II Bloco 2 Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 1 1. Um elétron tem carga q e massa m. Após ser acelerado sob tensão V, o elétron penetra em região onde existe um campo magnético de intensidade B, em direção normal ao campo. Pede-se: a) A velocidade escalar v do elétron. b) O raio de curvatura R da sua trajetória. Dados: m = 9,11.10-31 kg, q= -1,6.-19 C, V= 15 000 V, B = 0,4 T Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 1 – solução a) b) s mv v m Vqv vmVq 7 31 19 2 10.259,7 10.11,9 15000.10.6.1.2 2 2 1 = = = = − − mR R Bq vmR 3 19 731 10.033,1 4,0.10.6,1 10.26,7.10.11,9 − − − = = = Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 2 2. Uma partícula eletrizada de carga elétrica 𝑞 e massa m é lançada com velocidade v em uma região onde existe um campo magnético uniforme de intensidade B. Quando lançada no ponto 𝑃, os vetores são perpendiculares. A partícula percorre uma trajetória circular de raio 𝑅, conforme mostrado na figura a seguir. Pede-se: a) A intensidade e o sinal da carga elétrica 𝑞. b) A intensidade, direção e sentido da força magnética que atua sobre a partícula na posição de lançamento. c) O período 𝑇 do movimento. Bev d) o tempo decorrido desde a posição de lançamento até o instante em que a partícula atinge o ponto 𝐴 da trajetória. Dados: m = 2.10-6 kg , R= 0,8 m , B= 1,25 T , v = 4.103 m/s Campo magnético e forçamagnética II Exemplo de aplicação 2 – solução a) Intensidade da carga elétrica q Pela figura, a carga deve ser negativa para que a força centrípeta aponte para o ponto O. q = - 8.10-3 C b) C RB vmq 3 36 10.8 8,0.25,1 10.4.10.2 −− === )(40 25,110.4.10.8 33 NjF kiF BvqF = ∧−= ∧= − Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 2 – solução c) d) O tempo, pela figura, é três quartos do período. s v RT 33 10.257,110.4 8,0.22 −=== ππ sTt 43 10.425,910.257,1. 4 3 4 3 −− === Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 3 3. Um elétron, de massa 𝑚 e carga elétrica 𝑞 = −𝑒, atravessa uma região do espaço que contém campos elétricos e magnéticos uniformes, perpendiculares entre si e à velocidade do elétron, de acordo com a figura na página seguinte. a) Determine a direção e o sentido das forças, magnéticas e elétricas que atuam sobre o elétron. b) Sabendo que 𝐸 = 150 𝑉/𝑚 e 𝐵 = 2 × 10-3 𝑇, qual deverá ser a velocidade escalar do elétron, para que ele não seja defletido, ao passar por esta região? c) Supondo que o campo elétrico fosse desligado, qual trajetória seria descrita pelo elétron? Justificar a resposta. Exemplo de aplicação 3 Dados: m=9,11.10-31 kg , q =- 1,6.10-19 C Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 3 – solução a) b) c) Trajetória circular de raio R = 2,1.10-4 m contida no plano xOy jBvqkBivqBvqF jEqEqF m e =∧−=∧= −== s m B Ev BvqEq FF me 4 3 10.5,710.2 150 === = = − m Bq vmR 4319 431 10.135,2 10.2.10.6,1 10.5,7.10.11,9 − −− − === Exemplo de aplicação 4 4. Uma partícula de massa m eletrizada com carga elétrica q percorre uma trajetória circular de raio R em uma região do espaço onde existe um campo magnético uniforme com direção normal ao plano do movimento (ver figura). Pede-se: a) a carga elétrica q; b) o tempo decorrido para a partícula percorrer um ângulo central Δ θ . Dados: R = 0,8 m m = 3.10-6 kg B= 0,8 T v= 2000 m/s Δ θ =120º Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 4 – solução a) b) Cq q BR vmq 3 36 10.375,9 8,0.8,0 10.2.10.3 − − −= = = st t t s s v RT 4 3 3 3 10.36,8 10.51,2. 360 120 º120 10.51,2º360 10.51,2 2000 8,022 − − − − =∆ =∆ ∆⇒ ⇒ === ππ Exemplo de aplicação 5 5. Uma partícula de carga elétrica q e massa m é lançada com velocidade em uma região onde existe um campo magnético uniforme . Determinar: a) a força magnética que atua sobre a partícula; b) o ângulo θ entre os vetores )(6,04,0 )/(10.410.410.6: 636 TkiB smivkgmCqDados += === −− v B Bev F Campo magnético e força magnética II Exemplo de aplicação 5 – solução a) b) )(4,14 6,0.24 )6,04,0(24 )6,04,0(10.4.10.6 66 NjF jF kiiF kiiF BvqF −= −= +∧= +∧= ∧= − º44,56 8333,0 28,17 4,14 72,0.244,14 6,04,0.10.4.10.64,14 2266 = == = += = − θ θ θ θ θ sen sen sen senBvqF Campo magnético e força magnética II Interatividade Elétrons à velocidade v = 2 km/s atravessam em linha reta um campo no qual E=100 kV/m e B é incógnito. A intensidade do campo magnético vale: a) 2000 T b) 50 T c) 100 T d) 250 T e) 80 T Resposta Elétrons à velocidade v = 2 km/s atravessam em linha reta um campo no qual E=100 kV/m e B é incógnito. A intensidade do campo magnético vale: a) 2000 T b) 50 T c) 100 T d) 250 T e) 80 T Unidade II Bloco 3 Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I 1. Força magnética sobre corrente elétrica Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I 1. Força magnética sobre corrente elétrica Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Exemplo de aplicação 1 1. O fio ABC é percorrido pela corrente I = 5 A e está sob a ação do campo B = 0,5 i (T) . Determinar as forças sobre os trechos AB e BC. Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Exemplo de aplicação 1 – solução Coordenadas dos pontos A, B e C A(0,0,4) B(3,0,0) C(0,3,0) )(10 )20(5 )5,045,1(5 )5,0()43(5 )( NjF jF ikiiF ikiF BABIF AB AB AB AB AB −= −= ∧−∧= ∧−= ∧−= )(5,7 )5,10(5 )5,035,03(5 )5,0()33(5 )( NkF kF ijiiF ijiF BBCIF BC BC BC BC BC −= −= ∧+∧−= ∧+−= ∧−= Força magnética sobre corrente elétrica I Exemplo de aplicação 2 2. A espira triangular ABC, percorrida pela corrente elétrica I, está imersa em uma região onde existe um campo magnético A espira pode girar em torno do lado AB. Para a posição ilustrada, determinar a força magnética no lado BC da espira Dados I= 2 A B = 0,5 T B Força magnética sobre corrente elétrica I Exemplo de aplicação 2 – solução )(90,030,0 )54,015,0(2 5,0)9,03,04,0(2 )()( NkjF kjF ijkiF BACBAIBBCIF BC BC BC BC +−= −−= ∧++−−= ∧−+−−=∧−−= Exemplo de aplicação 3 3. Uma barra metálica AB, de massa m e comprimento L, está imersa simultaneamente em um campo gravitacional de intensidade g e um campo magnético de intensidade B (ver figura). Sabe-se que a barra permanece em equilíbrio quando for percorrida por uma corrente elétrica I. Determinar sua massa m. Dados: AB = L= 0,08 m , g = 10 m/s2 , B = 0,05 T , I = 2 A Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Exemplo de Aplicação 3 – solução kgm jjm FP Equilíbrio NjF kiF BABIF jmjgmgmP AB AB AB AB 4 3 3 10.8 010.810 0 )(10.8 )05,0()08,0(2 )( 10)( − − − = =+− =+ = −∧= ∧−= −=−== Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Interatividade A força magnética no trecho BA do condutor ABC, percorrido pela corrente I, submetido ao campo de indução B, vale: a) FBA = 60 k (N) b) FBA = 3 k (N) c) FBA = 2 k (N) d) FBA = 20 k (N) e) FBA = 120 k (N) AIBLIF TjBmOCOBOADados 20 )(32: =∧= ==== Resposta A força magnética no trecho BA do condutor ABC, percorrido pela corrente I, submetido ao campo de indução B, vale: a) FBA = 60 k (N) b) FBA = 3 k (N) c) FBA = 2 k (N) d) FBA = 20 k (N) e) FBA = 120 k (N) AIBLIF TjBmOCOBOADados 20 )(32: =∧= ==== Unidade II Bloco 4 Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Exemplo de aplicação 1 A espira ABCDA é percorrida pela corrente I=10 A e está sujeita ao campo uniforme B = 5 j (T). Dados: R = 2 m e OC = 2 m . Calcular: a) a força magnética sobre cada trecho da espira e a força resultante; b) o momento magnético da espira; c) o conjugado magnético. Força magnética sobre corrente elétrica II Exemplo de aplicação 1 – solução a) Coordenadas dos pontos A (0,0,2) , B (2,0,0) , C (0,2,0), D (0,2,2). 0100100100100 )(05)2(10)( )(1005)2(10)( )(1005)22(10)( )(100100)1010(10 5)22(10)( =−−+=+++= =∧−=∧−= −=∧=∧−= −=∧+−=∧−= +=+= ∧−=∧−= ikkiFFFFF NjjBDAIF NijkBCDIF NkjjiBBCIF NkiikF jkiBABIF DACDBCABR DA CD BC AB AB Exemplo de aplicação 1 – solução b) Momento magnético da espira. c) Conjugado magnético. ).(201040 ).(402.2.10 ).(20 2 2.2.10 ).(10 4 2.10 4 .10 22 2 2 22 mAkjimmmm mAiinAIm mAkknAIm mAjjjRnAIm CDAOBCOABO CDAO BCO ABO ++=++= === === ==== π πππ ).(2002005)201040( mNikjkjiBmC −=∧++=∧= π Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Exemplo de aplicação 2 A espira ACD esquematizada é percorrida pela corrente I=10 A, no sentido indicado, na presença de um campo de indução magnética uniforme B=2 j –k (T). Calcular: a) a força que exerce no condutor curvilíneo AC em (N); b) o momento magnético da espira ACD em (A.m2); c) o conjugado magnético que age na espira em (N.m). Força magnética sobre corrente elétrica II Exemplo de aplicação 2 – solução a) b) c) )(804070 )10348(10 )2()534(10)( NkjiF iijkF kjkjiBACIF AC AC AC −−−= −+−−= −∧+−−=∧−= ).(1578,117)8,06,0(5 4 1.10 8,06,0)º14,53()º14,53(cos º14,5386,3690,º86,36,75,0 4 3 22 mAjijinAIm jijsenin tg −=−== −=−= =−=== π θθ ).(1578,1176,235 )2()1578,117( mNijkC kjjiBmC ++= −∧−=∧= Exemplo de aplicação 3 Uma espira retangular é percorrida pela corrente elétrica I e está imersa em um campo magnético uniforme e estacionário de intensidade B cuja direção forma com o plano da espira um ângulo θ. Para a posição ilustrada na figura, pede-se: a) O momento de dipolo magnético m da espira. b) O conjugado magnético C aplicado na espira pelo campo magnético. Dados: I= 0,05 A , B = 0,2 T , a = 4 m , b = 3 m e θ = 30 º. Força magnética sobre corrente elétrica II Exemplo de aplicação 3 – solução a) b) ).(6,0)(4.3.05,0 2mNkknAIm −=−== )(1,0172,0 5,0.2,0866,0.2,0 º302,0)º30(cos2,0 TkiB kiB kseniB += += += ).(1032,0 )1,0172,0(6,0 mNjC kikC BmC −= +∧−= ∧= Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Exercício de aplicação 4 4. A espira quadrada de lado L é percorrida por uma corrente elétrica I. Na situação indicada, o conjugado magnético que atua na espira é máximo bem como a força magnética que age no lado AD. Calcular: a) o campo magnético no qual a espira está imersa; b) o conjugado magnético . Dados: L= 3 m FAB = 30 N I=10 N B C C ADF Exercício de aplicação 4 – solução a) b) ).(90 1)(3.10 2 mNiC jkC BnAIC BmC = ∧−= ∧= ∧= )(1 1 1..3.1030 º90 )( TjB TB B senBADIF BADIF AD AD = = = −= ∧−= Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Exercício de aplicação 5 – solução )(10.734,1 346,0 10.6 10.6.346,0 )30( 2 2,0.10.10.12866,0..20,0.10 º30 2 60 2 3 3 32 TB B B senB senLgmbgmsenBAI CC pesomag − − − − = = = = == = Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Exercício de aplicação 6 – solução a) b) c) Giraria em torno do eixo y. mAA T qI s v RT 054,110.054,1 10.518,1 10.6,1 10.518,1 10.19,2 10.9,52..22 3 16 19 16 6 12 ==== === − − − − −ππ )(10.27,9 )()10.9,52(.10.054,1 224 2123 mAkm knAIm − −− −= −== π ).(10.635,4 5,010.27,9 24 24 mNjC ikC BmC − − −= ∧−= ∧= Interatividade Uma espira retangular ABCD de lados CB=a e BA=b é percorrida pela corrente elétrica I e está imersa em um campo de indução magnética uniforme B. A força magnética atuante no lado AB é F e o conjugado na espira é C. A corrente I e o lado a valem, respectivamente: a) I= 20 A, a= 2m b) I= 10 A, a= 2m c) I= 5 A, a= 20m d) I= 4 A, a= 8m e) I= 1 A, a= 0,2m BmC nAImBABIFTiB mNjCNkFmbDados AB AB ∧= =∧−== =−== − )()(10.5 ).(1),(5,0,1: 2 Resposta Uma espira retangular ABCD de lados CB=a e BA=b é percorrida pela corrente elétrica I e está imersa em um campo de indução magnética uniforme B. A força magnética atuante no lado AB é F e o conjugado na espira é C. A corrente I e o lado a valem, respectivamente: a) I= 20 A, a= 2m b) I= 10 A, a= 2m c) I= 5 A, a= 20m d) I= 4 A, a= 8m e) I= 1 A, a= 0,2m BmC nAImBABIFTiB mNjCNkFmbDados AB AB ∧= =∧−== =−== − )()(10.5 ).(1),(5,0,1: 2 ATÉ A PRÓXIMA Slide Number 1 Unidade II Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Campo magnético e força magnética I Interatividade Resposta � Unidade II� Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Campo magnético e força magnética II Interatividade Resposta Unidade II Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Força magnética sobre corrente elétrica I Interatividade Resposta Unidade II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Força magnética sobre corrente elétrica II Interatividade Resposta Slide Number 73
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