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física (Português)

by admin

objectivos de aprendizagem

no final desta secção, poderá:

  • descrever os efeitos de uma força magnética num condutor de corrente.calcular a força magnética num condutor de corrente.
porque as cargas normalmente não podem escapar de um condutor, a força magnética sobre as cargas que se movem num condutor é transmitida ao próprio condutor.,

a Figura 1. O campo magnético exerce uma força sobre um fio de transporte de corrente numa direcção dada pela regra 1 da mão direita (a mesma direcção que a das cargas móveis individuais). Esta força pode facilmente ser grande o suficiente para mover o fio, uma vez que correntes típicas consistem de um grande número de cargas móveis.

podemos derivar uma expressão para a força magnética sobre uma corrente, tomando uma soma das forças magnéticas individuais taxas., (As forças acrescentam porque estão na mesma direção.) A força sobre uma carga individual movendo-se na velocidade de deriva vd é dada por F = qvdB sin θ. Tomando B para ser uniforme ao longo de um comprimento do fio l e zero em outro lugar, o total da força magnética sobre o fio é, então, F = (qvdB sin θ)(N), onde N é o número de portadores de carga na secção de fio de comprimento l. Agora, N = nV, onde n é o número de portadores de carga por unidade de volume e V é o volume do fio no campo. Notando que v = Al, onde A é a área transversal do fio, então a força no fio é F = (qvdB sin θ) (nAl)., Reunindo Termos,

F=(nqAv_{\text{d}})lB\sin\theta\\.

Devido a nqAvd = I (veja Atual),

F=IlB\sin\theta\\

é a equação da força magnética em um comprimento l do fio transportando uma corrente I em um campo magnético uniforme B, como mostrado na Figura 2. Se dividirmos os dois lados desta expressão por l, descobrimos que a força magnética por unidade de comprimento do fio num campo uniforme é \frac{F}{l}=IB\sin\theta\\. A direção desta força é dada pelo RHR-1, com o polegar na direção da corrente I., Em seguida, com os dedos na direcção de B, uma perpendicular à palma aponta na direcção de F, Como Na Figura 2.

Figura 2. A força em um fio de transporte de corrente em um campo magnético é F = IlB sin θ. Sua direção é dada pela RHR-1.

a força magnética nos condutores de corrente é utilizada para converter a energia eléctrica para o trabalho. (Motors are a prime example-they employ loops of wire and are considered in the next section., Magnetohidrodinâmica (MHD) é o nome técnico dado a uma aplicação inteligente onde a força magnética bombeia fluidos sem partes mecânicas móveis. (Ver Figura 3.)

a Figura 3. Magnetoidrodinâmica. A força magnética sobre a corrente passada através deste fluido pode ser usado como uma bomba não Mecânica.

um forte campo magnético é aplicado através de um tubo e uma corrente é passada através do fluido perpendicularmente ao campo, resultando numa força sobre o fluido paralela ao eixo do tubo, como mostrado., A ausência de partes móveis torna isso atraente para mover uma substância quente, quimicamente ativa, como o sódio líquido empregado em alguns reatores nucleares. Corações artificiais experimentais estão testando com esta técnica para bombear sangue, talvez contornando os efeitos adversos das bombas mecânicas. (Membranas celulares, entretanto, são afetadas pelos grandes campos necessários na MHD, atrasando sua aplicação prática em seres humanos.) MHD propulsion for nuclear submarines has been proposed, because it could be considerably quieter than conventional propeller drives., O valor dissuasor dos submarinos nucleares baseia-se na sua capacidade de esconder e sobreviver a um primeiro ou segundo ataque nuclear. À medida que lentamente desmontamos nossos arsenais de armas nucleares, o ramo submarino será o último a ser desativado por causa dessa capacidade (ver Figura 4.) Os dispositivos MHD existentes são pesados e ineficientes—muito trabalho de desenvolvimento é necessário.

Figura 4. Um sistema de propulsão MHD em um submarino nuclear poderia produzir significativamente menos turbulência do que as hélices e permitir que funcionasse mais silenciosamente., O desenvolvimento de um submarino silencioso foi dramatizado no livro e no filme A caça ao Outubro Vermelho.

Seção Resumo

  • A força magnética sobre condutores de transporte de corrente é dada por
    F=IlB\sin\theta\\

    , onde I é a corrente, l é o comprimento de uma reta do condutor em um campo magnético uniforme B, e θ é o ângulo entre eu e B. A força segue RHR-1 com o polegar na direção de I.,

questões conceptuais

  1. desenhe um esboço da situação na Figura 1 mostrando a direcção dos electrões que transportam a corrente, e use o RHR-1 para verificar a direcção da força no fio.
  2. verifique se a direção da força em um acionamento MHD, como a Figura 3, não depende do sinal das cargas que transportam a corrente através do fluido.porque é que um motor magnetohidrodinâmico funcionaria melhor na água do oceano do que na água doce? Além disso, porque é que ímãs supercondutores seriam desejáveis?,o que é mais provável de interferir com as leituras da bússola, corrente alterna no frigorífico ou corrente contínua quando liga o carro? Explicar.

Problemas & Exercícios

1. Qual é a direção da força magnética na corrente em cada um dos seis casos da Figura 5?

Figura 5.

2., Qual é a direção de uma corrente que experimenta a força magnética mostrada em cada um dos três casos da Figura 6, assumindo que a corrente corre perpendicular a B?

Figura 6.

3. Qual é a direção do campo magnético que produz a força magnética mostrada nas correntes em cada um dos três casos da Figura 7, assumindo que B é perpendicular a i?,

a Figura 7.

4. a) qual é a força por metro num raio no Equador que transporta 20.000 a perpendicular ao campo 3.00 × 10-5-T da Terra? b) Qual é a direcção da força se a corrente estiver em linha recta e a direcção do campo da Terra for para norte, paralela ao solo?

5. a) uma linha de corrente contínua para um sistema de carril leve transporta 1000 A, num ângulo de 30º, para o campo 5.00 × 10-5-T., Qual é a força numa secção de 100 m desta linha? B) discutir as preocupações práticas que este apresentar, se for caso disso.

6. Que força é exercida sobre a água em uma unidade MHD utilizando um tubo de 25,0 cm de diâmetro, se 100-a corrente é passada através do tubo que é perpendicular a um campo magnético de 2,00-T? (The relatively small size of this force indicates the need for very large currents and magnetic fields to make practical MHD drives.)

7. Um fio com 30.,0-uma corrente passa entre os pólos de um forte íman que é perpendicular ao seu campo e experimenta uma força de 2,16-N sobre os 4,00 cm de fio no campo. Qual é a força média do campo?

8. (a) uma secção de cabo de 0,750 m de comprimento que transporta corrente para um motor de arranque de automóveis faz um ângulo de 60º com o campo de 5,50 × 10-5 T da Terra. Qual é a corrente quando o fio experimenta uma força de 7.00 × 10-3 n? (b) Se você executar o fio entre os pólos de um forte ímã de ferradura, submetendo 5,00 cm dele a um campo 1,75-T, que força é exercida neste segmento de fio?,

9. a) qual é o ângulo entre um fio que transporta uma corrente de 8,00-A e o campo de 1,20-T em que se encontra se 50,0 cm do fio tiver uma força magnética de 2,40 N? (b) Qual é a força no fio se ele é girado para fazer um ângulo de 90º com o campo?

10. A força no laço retangular do fio no campo magnético Na Figura 8 pode ser usada para medir a intensidade do campo. O campo é uniforme, e o plano do laço é perpendicular ao campo. (a) qual é a direção da força magnética no laço?, Justify the claim that the forces on the sides of the loop are equal and opposite, independent of how much of the loop is in the field and do not affect the net force on the loop. b) Se for utilizada uma corrente de 5,00 A, qual é a força por tesla no laço de 20,0 cm de largura?

Figura 8. Um laço retangular de fio que transporta uma corrente é perpendicular a um campo magnético. O campo é uniforme na região mostrada e é zero fora dessa região.,