Questão 1
No experimento Balança de Corrente, tem-se uma espira retangular inserida no campo magnético gerado pelos pólos de um imã permanente, dispostos de modo que o pólo norte se localiza à esquerda e o pólo sul à direita. O lado inferior da espira é inserido entre os pólos do imã. Considerando que esse lado da espira é percorrido por uma corrente
, surge uma força magnética
que puxa a espira para baixo.
(a) Explique a origem dessa força. Desenhe o diagrama de forças.
(b) O que você faria para inverter o sentido dessa força?
(c) Calcule o valor desta força Magnética
, se
,
e
(Comprimento do lado inferior da espira).
(d) Para a espira do item (c) considere
, obtenha o valor do aumento da massa em gramas que estabelece o equilíbrio da espira?
(a) Explique a origem dessa força. Desenhe o diagrama de forças.
(b) O que você faria para inverter o sentido dessa força?
(c) Calcule o valor desta força Magnética
(d) Para a espira do item (c) considere
Passo 1
O enunciado descreve uma espira retangular imersa em um campo magnético
gerado por um ímã (pólo norte à esquerda e pólo sul à direita). O lado inferior da espira, de comprimento
, é percorrido por uma corrente elétrica
. Devido à interação entre essa corrente e o campo, surge uma força magnética
que puxa a espira para baixo. Para resolver, vamos usar a lei da força de Lorentz para um fio retilíneo:
e a regra da mão direita para determinar a direção de
. Em seguida, veremos como inverter seu sentido, calcularemos seu módulo e, finalmente, acharemos o aumento de massa que equilibra o conjunto.
Passo 2
A origem da força é a interação entre a corrente e o campo: cada elemento de fio com corrente
sofre uma força
No trecho inferior da espira,
é horizontal (da esquerda para a direita) e
vai de cima para baixo (do norte para o sul), formando ângulo de
. Assim o módulo é
e a direção de
é dada pela regra da mão direita: o polegar no sentido de
, os dedos no sentido de
, e a palma aponta para baixo, indicando que a força puxa a espira para baixo.
Diagrama de forças na espira (vista lateral):
Diagrama de forças na espira (vista lateral):
| |
| |
| |
| |
|________|
↓
↓ g
| |
| |
| |
|________|
↓
↓
Onde em cada vértice superior há reação do suporte (não mostrada) e, no centro do lado inferior, atua
para baixo, junto ao peso
.
Passo 3
Para inverter o sentido da força magnética, basta inverter o produto vetorial
. Ou seja, podemos:
– Inverter o sentido da corrente (trocar os terminais da fonte).
– Ou inverter o sentido do campo (trocar os pólos do ímã).
– Inverter o sentido da corrente
– Ou inverter o sentido do campo
Passo 4
Agora calculamos o módulo de
usando
Dado
,
e
, temos
Passo 5
Para que a espira fique em equilíbrio, esse
deve compensar um acréscimo de peso
. Logo
Resposta
(a) A força surge da lei de Lorentz
, aplicada ao lado inferior da espira, e atua para baixo conforme a regra da mão direita. Diagramamos as forças peso e magnética ambas para baixo, e as reações do suporte para cima.
(b) Invertendo-se o sentido da corrente ou trocando-se os polos do ímã, inverte-se .
(c)
(d)
(b) Invertendo-se o sentido da corrente ou trocando-se os polos do ímã, inverte-se
(c)
(d)