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Força magnética sobre uma carga

Neste vídeo, mostramos como encontrar o tamanho e a direção da força magnética usando F=qvB e a regra da mão direita. Versão original criada por Sal Khan.

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Transcrição de vídeo

RKA11E - Nós já aprendemos um pouco sobre ímãs agora. Vamos ver se podemos estudar um pouco mais e aprender um pouquinho sobre campos magnéticos, e os efeitos que eles produzem em um movimento de cargas. E é isso que nós realmente definimos como campo magnético. Então, primeiro de tudo, com qualquer campo, é bom termos uma maneira de visualizá-los. Com o campo eletrostático, nós desenhamos linhas de campo, então vamos tentar fazer a mesma coisa com o campo magnético. Vamos dizer que isso seja o meu imã em barra, esse é o polo norte e esse é o polo sul. Agora, por convenção, quando estamos desenhando linhas de campo magnético, devemos sempre começar do polo norte e seguir para o polo sul. Você pode entender isso como o caminho que o monopolo norte magnético tomaria. Então, se eu começar aqui, se o monopolo norte magnético, mesmo que nós saibamos que eles não existem na natureza, apesar de teoricamente eles poderem existir, mas vamos apenas dizer que temos um monopolo norte magnético. Se isso começar bem aqui, vai querer sair correndo desse polo norte e vai tentar chegar ao polo sul. Então poderíamos fazer assim, esse trajeto ficaria mais ou menos assim. Se isso começar aqui, talvez esse trajeto pareça com algo desse tipo. Ou, se começar aqui, talvez o trajeto pareça com algo assim. Bom, acho que você entendeu. Uma outra maneira de visualizar isso, em vez de pensar sobre um monopolo magnético e o caminho que ele faria, e pensar assim: "Bem, se eu tivesse uma bússola aqui?" Vou desenhar isso de uma cor diferente. Vamos dizer que eu coloque uma bússola aqui. Não é onde eu quero fazer isso, vamos fazer aqui. A agulha da bússola vai ficar tangente à linha de campo. Então, a agulha pode estar mais ou menos assim nesse momento, vai se parecer com isso. Isso vai ser o polo norte da agulha e isso será o polo sul da agulha, ou você pode, e isso é como norte sul são definidos, pessoas têm bússolas, elas dizem: "Ah, isso procura o polo norte, aponta nessa direção". Mas, na verdade, procura o polo sul do maior ímã. E por onde nós vamos começar essa grande confusão, discussão, sobre o polo norte geográfico que nós conhecemos ser, na verdade, o polo sul magnético do imã, que nós chamamos terra? Mas você pode ver o último vídeo com a introdução ao magnetismo para não se confundir com isso, e eu acho que você vai entender. Norte sempre procura sul da mesma forma que positivo sempre procura negativo e vice-versa. E norte sempre repele norte, e a principal diferença conceitual, apesar deles serem meio que muito diferentes em suas propriedades, apesar disso, nós veremos mais tarde que acaba tudo sendo mais ou menos a mesma coisa, que nós vamos chamar de força eletromagnética, quando começamos a aprender sobre equações de Maxwell relatividade tudo isso. Depois a gente se preocupa com isso. Como eu ia dizendo, a eletricidade e o magnetismo clássicos, eles são um tipo diferente de força, e a principal diferença é que forças magnéticas sempre vem de dipolos, enquanto que você pode ter forças eletrostáticas que partem de monopolos. Você pode ter uma carga apenas positiva ou apenas negativa. Então isso é tranquilo, você diz: "Professor, isso é bacana". Você desenha essas linhas de força. Você provavelmente já se deparou com isso, se alguma vez você já derrubou uma malha de metal em um ímã. Ela se organiza sozinha, ao longo dessas linhas de campo. Bom, você pode dizer: "Bem, isso parece ser útil, mas como determinamos a intensidade do campo magnético em um ponto qualquer?" E aí que as coisas começam a ficar interessantes. A intensidade de um campo magnético é determinada ou é definida baseada no efeito que ele causa em uma carga em movimento. Então, isso é interessante. Eu meio que lhe disse que temos essa força, que chamamos de magnetismo, que é diferente da força eletrostática. Mas nós estamos definindo o magnetismo a partir dos efeitos causados em uma carga em movimento, e isso é quase que uma dica. E nós vamos aprender depois, eu espero que você aprenda depois, conforme você avança na física, que força magnética, ou campo magnético, nada mais é do que um campo eletrostático se movendo em uma velocidade muito alta, a uma velocidade relativística. Ou você pode quase simplificar isso como sendo a mesma coisa, apenas vista de diferentes pontos de vista. Bom, eu não quero te confundir agora, mas de qualquer forma, vamos voltar para o que chamo de Física básica. Então, se eu tiver que encontrar um campo magnético B. "B" é um vetor que representa um campo magnético. Sabemos que a força em uma carga em movimento pode ser um elétron, um próton, algum tipo de partícula carregada. Bom, na verdade, essa é a base de como eles fazem as partículas se moverem em círculos, e como eles as estudam a partir da deflexão que elas sofrem por causa de campos magnéticos. Mas de qualquer forma, a força em uma carga é igual a intensidade da carga, é claro, ela pode ser positiva ou negativa, vezes, aí fica interessante, a velocidade com que a carga atravessa o campo magnético multiplicado pelo seno do ângulo formado entre o sentido da velocidade da carga e o sentido do campo magnético. Agora, tem uma coisa que deve imediatamente, se você tiver uma pequena intuição de como o seno do ângulo atua nessa forma, tem uma coisa interessante acontecendo aqui. Quando os sentidos da velocidade do campo magnético são perpendiculares um ao outro, por exemplo, se a velocidade for exatamente perpendicular ao campo magnético, o seno de 90 valerá 1. Então, o seno de 90 vale 1, e se eles forem paralelos, logo, um campo magnético não tem influência sobre a carga, pois o seno de zero ou 180, vale zero. Isso é algo interessante. E outra coisa interessante, o sentido da força resultante é perpendicular a ambos os vetores. Isso também é interessante, um campo magnético para ter influência sobre uma carga, tem que ser perpendicular à velocidade dela. Então, a força na carga será perpendicular à velocidade da carga, e também ao campo magnético. Eu sei que eu estou te confundido um pouquinho nesse ponto. Vamos brincar um pouco, e com isso resolver alguns problemas. Mas antes, deixa eu te mostrar quais são as unidades de campo magnético. Vamos dizer, qual é a intensidade da força? Eu espero não estar indo muito rápido. Nós vamos fazer isso em um segundo. De qualquer forma, nós queremos apenas as unidades. O senθ não tem unidade, então podemos simplesmente ignorar isso. Nós estamos tentando apenas descobrir as unidades do campo magnético. Então, temos força em newtons, nós podemos dizer newton. Nós podemos dizer newtons igual. Carga em coulombs, velocidade em metros por segundo. Então isso é, não sei como podemos chamar isso, as unidades do "B". Vamos chamar isso de unidade de "B". Vamos ver, se dividirmos os dois lados por coulomb em metros por segundo, nós temos newton por coulomb. Então, se dividimos por metros por segundo, que é a mesma coisa que multiplicar por segundos por metros, é igual a unidade de campo magnético. Então, um campo magnético no sistema internacional é definido como newton segundo por coulomb metro. Isso pode parecer um pouco deslocado, mas aí eles colocaram o nome brilhante, e foi nomeado em homenagem a um digno companheiro, que foi Nicola Tesla. Então, um newton segundo por coulomb metro, é igual a 1 tesla. Na verdade, estou correndo contra o tempo nesse vídeo, porque eu quero resolver um problema inteiro ainda. Mas apenas eu quero que você pense sobre isso durante um segundo. Mesmo que na vida estejamos acostumados a lidar com ímãs como esse, e talvez eles sejam fundamentalmente diferentes do que, pelo menos imaginamos ser a eletricidade, mas a intensidade, ou na verdade, as unidades do magnetismo são definidas a partir dos efeitos causados em uma carga em movimento. Isso é porque a unidade, 1 tesla é definido como newton segundo por coulomb. Então, carga elétrica por coulomb metro. Bem, eu vou deixá-los agora nesse vídeo. Talvez você possa sentar e pensar um pouco sobre isso, vai fazer um pouco mais de sentido quando nós resolvermos de verdade alguns problemas com alguns números reais no próximo vídeo. Bom, a gente se vê lá!