O que é força magnética?

A força magnética é um conceito que descreve como cargas elétricas em movimento interagem com campos magnéticos. Essa interação resulta em uma força que é sempre perpendicular tanto à velocidade da carga quanto à direção do campo magnético, influenciando a trajetória da partícula sem alterar sua energia cinética.

A fórmula que expressa a intensidade dessa força incorpora a carga elétrica, a velocidade, o campo magnético e o ângulo entre os vetores associados. Além disso, a regra da mão esquerda ajuda a compreender a direção e o sentido dessa força, que encontra aplicações em diversos contextos, desde medidores de corrente elétrica até aceleradores de partículas.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre força magnética
• 2 - Fórmula da força magnética
• 3 - Como a força magnética atua?
• 4 - Onde a força magnética é utilizada?
• 5 - Campo magnético x força magnética
• 6 - Força magnética sobre cargas elétricas
• 7 - Regra da mão direita e regra da mão esquerda
• 8 - Exercícios sobre força magnética

Resumo sobre força magnética

• A força magnética atua sobre cargas elétricas em movimento dentro de um campo magnético, sendo perpendicular à velocidade da carga e à direção do campo, sem alterar sua energia cinética.
• A força magnética é dada por: \(\left| \mathbf{F}_m \right| = |q| \cdot |\mathbf{v}| \cdot |\mathbf{B}| \cdot sen(\theta) \).
• A regra da mão esquerda determina sua direção.
• Utilizada em medidores de corrente elétrica e em aceleradores de partículas como o LHC, a força magnética desempenha papel essencial na ciência e na tecnologia.
• O campo magnético é o ambiente onde a força magnética pode atuar. A força é o efeito sobre cargas em movimento nesse campo.
• A força magnética não realiza trabalho.
• A regra da mão direita é usada para identificar o campo magnético criado por correntes elétricas, enquanto a da mão esquerda determina a direção da força magnética.

Fórmula da força magnética

A força magnética, frequentemente chamada de força de Lorentz, recebeu esse nome em homenagem ao físico holandês Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), um dos pioneiros na formulação das bases da teoria da relatividade e laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1902. Essa força descreve a interação entre um campo magnético e uma carga elétrica em movimento.

Imagine uma partícula com carga elétrica q movendo-se numa velocidade v  dentro de um campo magnético uniforme B. Essa partícula será submetida a uma força magnética F_m, que apresenta uma característica peculiar: ela sempre é perpendicular tanto ao vetor velocidade v quanto ao vetor campo magnético B. Isso significa que a força magnética atua de forma a não alterar a energia cinética da partícula, apenas sua trajetória.

A direção e o sentido da força magnética podem ser determinados usando a regra da mão esquerda. Segundo essa regra, você usa a mão esquerda com os dedos posicionados de forma que o indicador aponte para a direção do campo magnético; o dedo médio, para a direção da corrente (ou movimento da carga positiva); e o polegar, para a direção da força magnética resultante.

A intensidade dessa força magnética é expressa matematicamente por:

\(\left| \mathbf{F}_m \right| = |q| \cdot |\mathbf{v}| \cdot |\mathbf{B}| \cdot sen(\theta) \)

Aqui, θ é o ângulo formado entre os vetores v e B. Esse valor reflete como a força depende da orientação da velocidade em relação ao campo magnético, sendo máxima quando θ = 90° e nula quando θ = 0° ou θ = 180°.

Como a força magnética atua?

A força magnética atua de maneira diferente da de outras forças convencionais. Ela aparece quando uma partícula eletricamente carregada está em movimento dentro de um campo magnético. Diferente de outras forças, como a força gravitacional, a força magnética não atua diretamente para puxar ou empurrar a partícula ao longo de sua trajetória. Em vez disso, ela desvia a partícula, alterando a direção do seu movimento. Isso acontece porque a força magnética é sempre perpendicular ao plano formado pela direção do movimento da partícula e pela direção do campo magnético.

Imagine que você está empurrando um carrinho em linha reta em uma pista: se alguém de repente aplica uma força lateral, o carrinho não acelera nem desacelera na sua linha reta original, mas começa a mudar de direção, curvando sua trajetória. É exatamente isso que a força magnética faz. Ela age de maneira a alterar a trajetória da partícula, fazendo-a seguir um caminho curvo ou até circular, mas sem alterar sua velocidade.

Outro ponto importante é que a força magnética depende do movimento da partícula: se a partícula estiver parada, ela não sentirá nenhuma força magnética, mesmo que esteja dentro de um campo magnético. Além disso, o sentido da força depende do tipo de carga (positiva ou negativa) e da direção do movimento da partícula em relação ao campo magnético, o que pode ser determinado pela regra da mão esquerda.

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Onde a força magnética é utilizada?

A força magnética desempenha um papel fundamental em diversos contextos, tanto no nosso dia a dia quanto em aplicações tecnológicas mais avançadas. Por exemplo, a força magnética que ocorre entre fios paralelos que conduzem corrente elétrica. Quando dois fios estão próximos e conduzem correntes no mesmo sentido, eles se atraem; se as correntes têm sentidos opostos, eles se repelem.

A força magnética é amplamente empregada na medição precisa de correntes elétricas, como ocorre nos amperímetros analógicos. Quando a corrente elétrica percorre uma bobina inserida em um campo magnético, ela induz um movimento na bobina. Esse movimento é equilibrado pela força restauradora de uma mola espiral. À medida que a força da interação aumenta, a mola se deforma proporcionalmente, deslocando o ponteiro do instrumento para indicar a intensidade da corrente.

No âmbito mais avançado, como em aceleradores de partículas circulares, a força magnética é crucial para manter partículas carregadas em trajetórias curvas. Esses laboratórios, como o famoso LHC (Large Hadron Collider), utilizam campos magnéticos extremamente fortes para desviar partículas em velocidades próximas à da luz, confinando-as em trajetórias circulares. Esse controle preciso é essencial para que as partículas colidam e revelem informações sobre a estrutura fundamental da matéria.

Campo magnético x força magnética

Para entender a diferença entre campo magnético e força magnética, podemos pensar em uma analogia simples: o campo magnético é como um cenário ou ambiente onde a força magnética pode agir, enquanto a força magnética é a ação que ocorre dentro desse cenário, dependendo das circunstâncias.

O campo magnético é uma região do espaço onde uma força magnética pode ser sentida. Ele é gerado por cargas elétricas em movimento, como correntes elétricas, ou por materiais magnetizados, como ímãs. Você pode imaginar o campo magnético como linhas invisíveis que saem de um ímã ou ao redor de um fio com corrente elétrica. Essas linhas indicam a direção em que uma força magnética seria aplicada se colocássemos algo sensível ao magnetismo nesse local, como outra carga em movimento.

Já a força magnética é o efeito real que acontece quando algo interage com esse campo. Por exemplo, se você coloca uma carga elétrica em movimento dentro de um campo magnético, essa carga sentirá uma força que depende da velocidade da carga, do campo magnético e do ângulo entre eles.

Força magnética sobre cargas elétricas

A força magnética sobre cargas elétricas aparece quando uma carga elétrica está em movimento dentro de um campo magnético. Para entender isso, imagine que o campo magnético é como um rio com correntes invisíveis, e a carga elétrica é como um pequeno barco navegando nesse rio. Se o barco estiver parado, ele não sente nenhuma força, mas, assim que começa a se mover, as correntes do rio empurram o barco de uma maneira específica.

O interessante é que essa força não altera a velocidade da partícula; ela só muda sua direção. Isso significa que elas podem girar em círculos ou espirais dentro do campo magnético, mas não ficam mais rápidas ou mais lentas, ou seja, a força magnética não realiza trabalho.

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Regra da mão direita e regra da mão esquerda

As regras da mão direita e da mão esquerda ajudam a entender fenômenos diferentes envolvendo corrente elétrica, campos magnéticos e forças.

A regra da mão direita é usada para identificar o sentido do campo magnético criado por uma corrente elétrica. Já a regra da mão esquerda serve para determinar a direção da força magnética que age em uma carga em movimento ou em um fio com corrente elétrica, quando estão dentro de um campo magnético.

A diferença entre as duas regras está no uso: a mão direita ajuda a entender o campo magnético gerado pela corrente elétrica, enquanto a mão esquerda mostra a força que o campo magnético exerce em correntes ou cargas.

Exercícios sobre força magnética

Questão 1 (Furg-RS) A figura mostra um fio condutor retilíneo por onde passa uma corrente elétrica i . Uma carga negativa -q  move-se com velocidade v , paralelamente ao fio e no mesmo sentido da corrente. A direção e o sentido da força Fm , do fio sobre a carga -q , podem ser representados pelo vetor:

A)

B)

C)

D)

E)

Resolução:

Alternativa D

Usando a regra da mão direita, obtemos que o campo magnético gerado pela corrente elétrica do fio passa na carga elétrica em direção a entrar na tela. Com base nisso, usando a regra da mão esquerda, obtemos que a força magnética na carga elétrica negativa aponta para baixo.

Questão 2 Dada uma carga elétrica positiva de 3 μ C, em velocidade v=5⋅103  m/s e que está perpendicular a um campo magnético de 0,1 T, determine a intensidade da força magnética que atua sobre a carga.

A)  1,5⋅10³ N

B) 0

C) 15 N

D) 1,5 N

E) 1,5⋅10^-3 N

Resolução:

Alternativa E

Usando a fórmula da força magnética:

\(\left| \mathbf{F}_m \right| = |q| \cdot |\mathbf{v}| \cdot |\mathbf{B}| \cdot sen(\theta) \)

F_m=3 ⋅ 10^-6 ⋅ 5 ⋅ 10³ ⋅ 0,1 ⋅ sen(90°)

F_m= 1,5 ⋅ 10^-3 N

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Eletromagnetismo (vol. 3). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Eletromagnetismo (vol. 3). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.