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Aula-09 Campos Magnéticos Produzidos por Correntes Curso de Física Geral F-328 2o semestre, 2013 Lei de Biot - Savart A mT1026,1 A mT104 670 ⋅×≈⋅×= −−πµ de maneira análoga, o campo magnético produzido por cargas em movimento (correntes) é: Assim como o campo elétrico produzido por cargas é: r r dqr r dqEd 3 0 2 0 4 1ˆ 4 1 πεπε == onde é um elemento de comprimento sobre a linha de corrente, é um vetor que vai de até o ponto P e ld lid 2 0 3 0 ˆ 44 r rlid r rlidBd ×=×= π µ π µ r é a permeabilidade do vácuo. Ed Bd , , ⊗ r Ed distribuição de corrente distribuição de carga rlid Bd Campo num ponto P qualquer ∫ ×= C r rlidB 2 0 ˆ 4 π µ (Lei de Biot-Savart) 2 ˆ 4 r rlidBd o ×= π µ B x z lid P r ⊗ Bd y C θ Campo magnético de um fio retilíneo == 2 sen 4 r dzidB o θ π µ ββ 222 cosecsen Rr r R =⇒= Integrando-se: =−= ∫ ββπ µ π d R iB sen 2 0 2 0 βββ dRdz R z 2coseccotg −=→= R iB π µ 4 0= (fio semi- infinito) R i π µ 2 0 Neste caso, a lei de Biot-Savart 34 r rlidBd o ×= π µ Mas: se reduz a: Sentido do campo : dado pela regra da mão direita ou regra do saca-rolhas (ver figura) B i B 2 sen 4 r dzio β π µ ( ) βθθπβ sensen- =∴= r β ld Bd z i longo com corrente i Campo magnético de um fio infinito i As linhas de campo magnético são linhas a partir das quais pode-se visualizar a configuração do campo magnético de uma dada distribuição de correntes no espaço. Como vimos, no entorno de um fio longo transportando uma corrente, elas são da forma: corrente “entrando” no papel ld i=0 B Observe que as linhas de são fechadas. B de uma corrente em um arco circular • Calcular o campo magnético no ponto O. • Para os segmentos e da figura, o produto é nulo (vetores paralelos e antiparalelos) • No arco são perpendiculares. R iB π ϕµ 4 0= rld × rld e ϕ B onde é o ângulo central subentendido pelo arco. Se , Neste caso: AA ′ CC ′ ,CA i i ld rˆ ϕ :2πϕ = R iB 2 0µ= (campo no centro de uma espira) Força entre dois fios condutores paralelos )ˆ( 2 ˆ 2 00 rdl d iield d iiBldiFd bbabbaabbba −=×=×= π µ π µ ϕ A corrente do fio a gera um campo na posição do fio b: O fio b, na presença de , fica sujeito a uma uma força dada por: A força sobre um comprimento Lb do fio b vale: = b ba L F d ii ba π µ 2 0 Esta expressão possibilita a definição do ampère. ϕπ µ e d iB aa ˆ2 0= ∫ ×= a aa a r rldiB 2 0 ˆ 4 π µ (de atração, neste caso) aB ϕeˆ ib ia bb ldi aa ldi d r baF )ˆ( 2 0 r d LiiF bbaba −= π µ ou (módulo da força por unidade de comprimento) aB aB Bd ⊥Bd ⊥ += BdBdzBd ||)( )90(sen 4 0 2 0 r dlidB π µ= 22 222 cose zR R r RzRr + ==+= α Substituindo essas três relações na integral de B(z) tem-se: 2/322 2 0 )(2 )( zR RizB + = µ Campo magnético de uma bobina Como a soma vetorial dos se anula: O campo de uma bobina não tem simetria suficiente para ser calculado pela lei de Ampère. Usaremos a lei de Biot-Savart para calcular em pontos do eixo central da espira. B Temos: ∫∫ +== espira dl zR iRdBzB 2/322 0 || )(4 )( π µ ||Bd r z ld Bd α∫∫ == cos)( || dBBdzB Campo magnético de uma bobina 2/322 2 0 )(2 )( zR iRzB + = µ 3 0 2 )( z iAzB π µ= 3 2 0 2 )( z RizB µ≈ 3 0 2 )( z zB µ π µ = Para pontos afastados ( ): Rz >> (a bobina se comporta como um ímã – ver semelhança das linhas) Lembrando que é a área da espira e é o seu momento de dipolo magnético: AR =2π nAi ˆ=µ Vimos: i ≈ i B Circuitação de um campo vetorial • Cada linha de é uma curva fechada. • A determinação de pode ser feita em termos da sua circuitação. θϕ cosdlrd = ididr r idBrBdl C 0 00 22 cos µϕ π µϕ π µϕθ ==== ∫∫∫∫ r iB π µ 2 0=Intensidade de : ∫∫ =⋅ CC BdlldB θcos B B B Mas, da figura: θ ϕd B r θcosdl Circuitação de ao longo de um contorno C : ∫ ⋅ C ldB B θ B r ld C i A lei de Ampère A lei de Ampère é geral, mas a sua utilidade no cálculo do campo magnético devido a uma distribuição de correntes depende da simetria da distribuição. envo C ildB µ=⋅∫ )(cos 21o21 iiBdliii C env −=⇒−= ∫ µθ Da figura ao lado tem-se: Então: ( )21o iildB C −=⋅∫ µ (lei de Ampère) ld sentido de integração B sentido de integração C C Campo magnético de um fio infinito i ildB C 0µ=⋅∫ Em C, é paralelo a B ld e ∴=uniformeB Lei de Ampère: =⋅=∫ rBdlB π2=⋅∫ C ldB ⇒i0µ r i B π µ 2 0= a bússola aponta sempre na mesma direção (norte geográfico) a bússola aponta na direção de resultante B limalhas de ferro nas proximidades do fio ld i=0 C r ld i B B 00 11 cos iBdlldB µθ ==⋅ ∫∫ 1cos0o =⇒= θθ possui simetria cilíndrica em torno do fio e a mesma intensidade em todos os pontos a uma distância r do centro. é paralelo a r iB π µ 2 00= (fora do fio) B ld B Curva 1 ( r>R ): 00)2( irB µπ = 0i ld rBdlBBdl πθ 2cos 1 ⋅== ∫∫ Campo magnético de um fio cilíndrico longo com corrente Campo magnético de um fio cilíndrico (dentro do fio) B longo com corrente Curva 2 ( r<R ): A corrente envolvida pela curva 2 (de raio r) é: 2 2 0 R riienv π π= ⇒== 2 2 000)2( R riirB env π πµµπ r R iB 2 00 2π µ= O sentido de é dado pela regra da mão direita. ld rBdlBBdl πθ 2cos 2 ⋅== ∫∫ 0i Gráfico da intensidade de de um fio • Para • Para Rr ≤ Rr ≥ r R iB 2 00 2π µ= r iB π µ 2 00= : : cilíndrico longo com corrente dentro fora B Solenoides e Toroides • Um fio longo enrolado formando uma bobina em espiral é chamado de solenoide. • O campo magnético do solenoide é a soma vetorial dos campos produzidos por cada uma das voltas do fio que o forma. Solenoide compacto Solenoide esticado ≈ ímã O campo no interior de um solenoide é praticamente uniforme. As figuras abaixo mostram um solenoide ideal e um solenoide real. Em ambos os casos os campos fora do solenoide são muito fracos, em comparação com os do interior. Aplicando-se a lei de Ampère à curva abcd: env b a c b d c a dC iBhldBldBldBldBldB 0µ==⋅+⋅+⋅+⋅=⋅ ∫ ∫ ∫ ∫∫ 00inB µ= Havendo n espiras por unidade comprimento no solenoide: 0nhiienv = Campo de umsolenoide Campo de um toroide NildB C 0µ=⋅∫ )2( rBldB C π=⋅∫ )toroide( 2 0 r iN B π µ = A figura mostra o enrolamento de um toroide de N voltas, transportando uma corrente i. O campo é diferente de zero apenas no interior do toroide. Sua intensidade varia com r. Aplicando-se a lei de Ampère para a curva tracejada em azul, tem-se: B n r N ≈ π2 Note que como , esta expressão é parecida à do campo magnético de um “solenoide enrolado”. i i B ld Os exercícios sobre Lei de Ampère estão na página da disciplina : (http://www.ifi.unicamp.br). Consultar: Graduação à Disciplinas à F 328-Física Geral III Aulas gravadas: http://lampiao.ic.unicamp.br/weblectures (Prof. Roversi) ou UnivespTV e Youtube (Prof. Luiz Marco Brescansin) Lista de exercícios do Capítulo 29 F328 – 1S20123 19
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