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Lei de Biot-Savart

A lei de Biot-Savart é uma das leis que fundamentam o eletromagnetismo. É usada para determinar direção e sentido de um campo magnético produzido por uma corrente elétrica.

Solenoides representando a lei de Biot-Savart.
A lei de Biot-Savart é usada, por exemplo, para calcular o campo magnético em um solenoide.
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A lei de Biot-Savart é uma lei do Eletromagnetismo capaz de prever a intensidade e orientação (direção e sentido) de um campo magnético produzido por uma corrente elétrica. Ela foi formulada pelo físico, matemático e astrônomo Jean-Baptiste Biot e o físico e matemático Félix Savart.

Leia também: Lei de Lenz — descreve o fenômeno da indução eletromagnética

Tópicos deste artigo

Resumo sobre a lei de Biot-Savart

  • Através da lei de Biot-Savart, temos que o campo magnético é proporcional à corrente elétrica e ao comprimento do fio, mas inversamente proporcional ao quadrado da distância até o fio.
  • A lei de Biot-Savart é empregada na determinação do campo magnético em algumas situações, como um fio condutor que é atravessado por uma corrente retilínea, no centro de um polígono ou em uma espira circular no eixo.
  • A lei de Biot-Savart é empregada na determinação da direção das linhas de campo magnético.
  • Através da lei de Biot- Savart é possível encontrarmos a lei de Ampére do Magnetismo.

O que diz a lei de Biot-Savart?

A lei de Biot-Savart nos dá uma expressão matemática para o cálculo do campo magnético em um ponto do espaço em relação à corrente elétrica que o produz. De acordo com a lei de Biot-Savart, o campo magnético apresenta as seguintes propriedades:

  • O campo magnético é inversamente proporcional ao quadrado da distância até o fio.
  • O campo magnético é diretamente proporcional à corrente elétrica e ao comprimento do fio.
  • O vetor campo magnético é perpendicular ao vetor comprimento (local por onde a corrente elétrica atravessa) e ao vetor posição (local onde o campo magnético pode ser determinado).
  • O campo magnético produzido por uma corrente elétrica estacionária, aquela que não varia com o tempo, é estático.

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Fórmulas da lei de Biot-Savart

→ Lei de Biot-Savart para uma partícula

\(B=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{\left|q\right|\cdot v\cdot s i n\theta}{r^2}\)

B é o módulo do campo magnético, medido em Tesla [T].

μo é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4\pi\cdot{10}^{-7}T\cdot{m}/{A}\).

q é a carga elétrica, medida em Coulomb [C].

v é a velocidade da partícula, medida em metros por segundo [m/s].

r é a distância da partícula até o ponto em que se deseja medir o campo magnético, medida em metros [m].

θ é o ângulo ente r e v, medido em graus [°].

→ Lei de Biot-Savart para um fio percorrido por uma corrente elétrica

\(∆B=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{i\cdot ∆L\cdot s i n\theta}{r^2}\)

B é o módulo do campo magnético, medido em Tesla [T].

μo é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4\pi\cdot{10}^{-7}T\cdot{m}/{A}\).

i é a corrente elétrica, medida em Ampére [A].

∆L é o comprimento dos fragmentos do fio, medido em metros [m].

r é a distância da partícula até o ponto em que se deseja medir o campo magnético, medida em metros [m].

θ é o ângulo ente r e i, medido em graus [°].

→ Forma escalar da lei de Biot-Savart

\(dB=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{i\cdot d s\cdot s i n\theta}{r^2}\)

→ Forma vetorial da lei de Biot-Savart

\(d\vec{B}=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{id\vec{s}\times^{r}}{r^2}\)

→ Forma integral da lei de Biot-Savart, válida para qualquer formato de fio

\(\vec{B}=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\oint_{C}\cdot\frac{idl\times^{r}}{r^2}\)

→ Exemplos de cálculos com fórmulas da lei de Biot-Savart

Exemplo 1:

Uma carga elétrica de 2 μC se move com velocidade de 50 milhões m/s. Sabendo que o ângulo entre a velocidade e a distância do ponto A é 90º, calcule o módulo do campo magnético produzido pela carga elétrica nesse ponto A, que está a 40 mil metros de distância da carga elétrica.

Calcularemos o módulo do campo magnético produzido pela carga elétrica através da fórmula da lei de Biot-Savart para uma partícula:

\(\left|B\right|=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{\left|q\right|\cdot v\cdot s i n\theta}{r^2}\)

\(\left|B\right|=\frac{4\cdot\pi\cdot{10}^{-7}}{4\cdot\pi}\cdot \frac{\left|2\mu\right|\cdot50000000\cdot sin90°2}{40000^2}\)

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot\frac{\left|2\mu\right|\cdot5\cdot{10}^7\cdot1}{1,6\cdot{10}^9}\)

Como μ significa micro, cujo valor é de 10-6, temos:

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot\frac{\left|2\cdot{10}^{-6}\right|\cdot5\cdot{10}^7\cdot1}{1,6\cdot{10}^9}\)

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot\frac{2\cdot{10}^{-6}\cdot5\cdot{10}^7}{1,6\cdot{10}^9}\)

\(\left|B\right|=6,25\cdot{10}^{-15}T\)

\(\left|B\right|=6,25\cdot fT\)

Exemplo 2:

Um fio é percorrido por uma corrente elétrica de 50 A e é dividido em fragmentos de 0,02 metro. Sabendo que o ângulo entre a distância e a corrente elétrica é de 30°, calcule o campo magnético produzido pela corrente em um ponto que está a 2 metros de distância do fio.

Calcularemos o módulo do campo magnético produzido pela corrente elétrica através da fórmula da lei de Biot-Savart para um fio percorrido por uma corrente elétrica:

\(∆B=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi} \frac{i\cdot∆L\cdot sin\theta}{r^2}\)

\(∆B=\frac{4\cdot \pi\cdot10^{-7}}{4\cdot\pi} \frac{50\cdot0,02\cdot sin 30°}{2^2}\)

\(∆B=10^{-7}\cdot \frac{50\cdot0,02\cdot0,5}{4}\)

\(∆B=10^{-7}\cdot0,125\)

\(∆B=0,125\cdot10^{-7}\)

\(∆B=1,25\cdot10^{-1}\cdot10^{-7}\)

\(∆B=1,25\cdot10^{-1-7}\)

\(∆B=1,25\cdot10^{-8}T\)

Veja também: Como ocorre a produção do campo magnético em solenoides

Aplicações da lei de Biot-Savart

A lei de Biot-Savart é aplicada quando se deseja determinar:

  • campo magnético em um fio condutor percorrido por uma corrente retilínea;
  • campo magnético no centro de um polígono (figura geométrica fechada) de n lados;
  • campo magnético de uma espira circular no eixo;
  • direção das linhas de campo magnético através da regra da mão direita.

Além disso, a lei de Biot-Savart permite obtermos a lei de Ampére, que calcula o campo magnético produzido em um condutor retilíneo que é atravessado por uma corrente elétrica a certa distância do condutor. A lei de Ampére pode ser dada pela fórmula:

\(B=\frac{\mu_o\cdot i}{2\cdot\pi\cdot r}\)

B é o módulo do campo magnético, medido em Tesla \(\left[T\right]\).

μo é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4\pi\cdot{10}^{-7}T\cdot {m}/{A}\).

i é a corrente elétrica, medida em Ampère \(\left[A\right]\).

r é distância do campo magnético ao fio, medida em metros \(\left[m\right]\).

História da lei de Biot-Savart

Em 1820, o físico e químico Hans Christian Oersted (1777-1851) provou a relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos acidentalmente, enquanto estudava as cargas elétricas em movimento, contudo ele não foi capaz de produzir os cálculos do campo.

Após a publicação do experimento de Oersted, o físico, matemático e astrônomo Jean-Baptiste Biot (1774-1862) e o físico e matemático Félix Savart (1791-1841) executaram as primeiras análises minuciosas sobre a força gerada por uma corrente elétrica em um imã próximo e constataram que surgiam campos magnéticos próximo dos fios que estavam conduzindo corrente elétricas, desenvolvendo, assim, a lei de Biot-Savart.

Saiba mais:  Diferenças entre condutores e isolantes elétricos

Exercícios sobre a lei de Biot-Savart

01) Uma carga elétrica de 2 mC se locomove a 100.000 m/s. Considerando que o ângulo entre a velocidade e a distância do ponto C é 90º, calcule o módulo do campo magnético produzido pela carga elétrica nesse ponto C, que dista 2 metros.

a) 5 T

b) 5 mT

c) 5 μT

d) 5 nT

e) 5 pT

Resolução:

Alternativa C.

Calcularemos o módulo do campo magnético produzido pela carga elétrica através da fórmula da lei de Biot-Savart para uma partícula:

\(\left|B\right|=\frac{\mu_o}{4\cdot\pi}\cdot\frac{\left|q\right|\cdot v\cdot s i n\theta}{r^2}\)

\(\left|B\right|=\frac{4\cdot\pi\cdot{10}^{-7}}{4\cdot\pi}\cdot \frac{\left|2m\right|\cdot100000\cdot sin90°2}{2}\)

Como m significa mili, cujo valor é de \({10}^{-3}\), temos:

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot\frac{\left|2\cdot{10}^{-3}\right|\cdot100000\cdot1}{4}\)

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot\frac{2\cdot{10}^{-3}\cdot100000}{4}\)

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot50000\cdot{10}^{-3}\)

\(\left|B\right|={10}^{-7}\cdot5\cdot{10}^4\cdot{10}^{-3}\)

\(\left|B\right|=5\cdot{10}^{4-7-3}\)

\(\left|B\right|=5\cdot{10}^{-6}T\)

\(\left|B\right|=5\ \mu T\)

02) Um fio é atravessado por uma corrente elétrica de 20 A, então determine o campo magnético produzido pela corrente elétrica em um ponto que dista 40 metros.

a) 6,25 T

b) 6,25 mT

c) 6,25 μT

d) 6,25 nT

e) 6,25 pT

Resolução:

Alternativa E.

Calcularemos o módulo do campo magnético produzido pela corrente elétrica através da fórmula da lei de Ampére, que é a redução da lei de Biot-Savart para um fio reto e longo:

\(B=\frac{\mu_o}{2\cdot\pi}\cdot\frac{i}{r}\)

\(B=\frac{4\cdot\pi\cdot{10}^{-7}}{2\cdot\pi}\cdot\frac{20}{40}\)

\(B=\frac{4\cdot\pi\cdot{10}^{-7}}{2\cdot\pi}\cdot\frac{1}{2}\)

\(B={10}^{-7}\cdot1\)

\(B=1\cdot{10}^{-7}T\)

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Eletromagnetismo (vol. 3). 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Eletromagnetismo (vol. 3). Editora Blucher, 2015.

SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Universo da Física: Ondulatória. Eletromagnetismo, Física Moderna. São Paulo: Atual, 2005. 

Escritor do artigo
Escrito por: Pâmella Raphaella Melo Sou uma autora e professora que preza pela simplificação de conceitos físicos, transportando-os para o cotidiano dos estudantes e entusiastas. Sou formada em Licenciatura Plena em Física pela PUC- GO e atualmente curso Engenharia Ambiental e Sanitária pela UFG.

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

MELO, Pâmella Raphaella. "Lei de Biot-Savart"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-lei-biotsavart.htm. Acesso em 27 de maio de 2024.

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