Exercícios Resolvidos de Vetor de Poynting e Intensidade

UFRJ, Física 4, Prova 1, 2011.2

Uma onda eletromagnética plana tem o vetor campo magnético dado por

B = 4 π cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ - 4 π sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^   T ;

  1. Determine: a direção e sentido de propagação da onda.
  2. Determine o vetor campo elétrico associado a esta onda.
  3. Calcule o vetor de Poynting.
  4. Calcule a intensidade da onda.

Passo 1

Letra a)

O problema nos pede para descobrir a direção e sentido de propagação da onda.

Esta questão é diferente das outras pelo fato do campo magnético B ter componentes em duas direções.

Mas fica tranquilo, não é um bicho de 7 cabeças! Vamos seguir o mesmo raciocínio de antes.

Vamos analisar o argumento das funções senoidais

π 2 z - ω t

Para que o argumento permaneça constante, conforme o tempo t aumenta, é necessário que o valor de z também aumente.

Logo, a onda se propaga no sentido do vetor + z ^ .

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 2

Letra b)

O problema nos pede para calcular o vetor de campo elétrico E .

Sabemos que E é perpendicular a B

O vetor possui B possui duas componentes, nos sentidos x ^ e ( - y ^ ) .

Então vamos fazer o seguinte, vamos dividir esse problema em duas partes, trabalhando como cada componente separadamente, ok?

B x = 4 π cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ T ; ( i )

B y = - 4 π sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^   T ; ( i i )

Passo 3

( i )

B x = 4 π cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ T ;

Sabemos que a onda se propaga no sentido + z ^ , então temos que encontrar o componente E 1 tal que o produto vetorial E 1 × B x tenha o resultado no sentido + z ^ .

Sabemos também que E 1 é perpendicular a B x e a z ^ . Assim, E 1 só pode estar no eixo y .

Usando a regra da mão direita descobrimos que E 1 tem o sentido do vetor - y ^ .

- y ^ × x ^ = z ^

Para determinar o módulo de E 1 , basta usar a relação:

E 1 = c B x

Onde c = 3,0 × 10 8   m / s . Logo:

E 1 = 3,0 × 10 8 × 4 π cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t

E 1 = 12 π × 10 8 cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t

Por fim:

E 1 = - 12 π × 10 8 cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^

Passo 4

i i B y = - 4 π sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^   T

O raciocínio é o mesmo do caso anterior.

Agora, E 2 é perpendicular a B y e a z ^ . Portanto, E 2 só pode estar no eixo x .

Usando a regra da mão direita descobrimos que E 2 tem o sentido do vetor - x ^ .

- x ^ × - y ^ = z ^

Para determinar o módulo de E 2 , basta usar a relação:

E 2 = c B y

Onde c = 3,0 × 10 8   m / s . Logo:

E 2 = 3,0 × 10 8 × 4 π sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t

E 2 = 12 π × 10 8 sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t

Por fim:

E 2 = - 12 π × 10 8 sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^

Logo:

E = E 1 + E 2

E = - 12 π × 10 8 sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ - 12 π × 10 8 cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^

Passo 5

Letra c)

O problema nos pede para calcular o vetro de Poynting S .

O vetor de Poynting S é dado por

S = E × B μ 0

Onde:

E = - 12 π × 10 8 sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ - 12 π × 10 8 cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^ V m ;

B = 4 π cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ - 4 π sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^   T ;

μ 0 = 4 π × 10 - 7 N / A 2 ;

E × B = 48 π 2 × 10 8 sen 2 π 2 z - 1,5 π × 10 8 t + 48 π 2 × 10 8 cos 2 π 2 z - 1,5 π × 10 8 t z ^ ;

E × B = 48 π 2 × 10 8 z ^ ;

Logo:

S = 48 π 2 × 10 8 4 π × 10 - 7   z ^

S = 1,2   π × 10 16   z ^         W / m 2

Passo 6

Letra d)

O problema nos pede para descobrir a intensidade I da onda.

Quando estudamos o vetor de Poynting, vimos que

I = S médio

Mas como o módulo do vetor de Poynting, neste caso, não varia com o tempo, podemos dizer que

I = S = 1,2   π × 10 16       W / m 2

Resposta

Letra a)

A onda se propaga no sentido do vetor + z ^ .

Letra b)

E = - 12 π × 10 8 sen π 2 z - 1,5 π × 10 8 t x ^ - 12 π × 10 8 cos π 2 z - 1,5 π × 10 8 t y ^

Letra c)

S = 1,2   π × 10 16   z ^         W / m 2

Letra d)

I = 1,2   π × 10 16       W / m 2

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