Considere uma carga pontual positiva movimentando-se com velocidade em um campo magnético . Se a velocidade inicial da carga é , mostre que sua trajetória será helicoidal e expressa por e .
Passo 1
Beleza, vamos lá! O problema fala sobre uma carga pontual positiva que está se movendo com uma certa velocidade dentro de um campo magnético . A velocidade inicial da carga é . Nosso objetivo aqui é mostrar que a trajetória dessa carga é helicoidal e expressar isso nas equações dadas. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de física sobre o movimento de cargas em campos magnéticos, especificamente a força de Lorentz e o movimento resultante.
Passo 2
Primeiro, precisamos lembrar qual é a lei que descreve a força exercida sobre uma carga em movimento dentro de um campo magnético. Essa é a força de Lorentz, dada por:
Essa força é perpendicular tanto à velocidade da carga quanto ao campo magnético, e vai influenciar a trajetória da carga.
Passo 3
Vamos calcular o produto vetorial . Sabendo que e , temos:
Simplificando, isso resulta em:
Passo 4
Agora, aplicando a força de Lorentz:
Essa força atua apenas na direção , o que indica que a aceleração ocorre nessa direção.
Passo 5
Vamos considerar as equações do movimento para cada direção. Sabemos que:
Então, para cada componente:
No nosso caso, e , então e . Apenas .
Passo 6
Como a aceleração nas direções e é zero, as velocidades nessas direções permanecem constantes. Ou seja:
Mas, como o campo magnético só está na direção , e a força só afeta a direção , isso faz com que a carga se mova com velocidade constante em e uma aceleração em .
Passo 7
Para determinar a trajetória, vamos integrar as velocidades. A posição em cada direção é dada por:
Isso mostra que a carga está se movendo de forma linear em e , enquanto em há um movimento circular devido à componente constante de .
Passo 8
Para mostrar que a trajetória é helicoidal, consideramos a combinação do movimento circular nas direções e com o movimento linear em . A equação da trajetória circular nas direções e é:
E a posição em é:
Isso caracteriza uma hélice, onde a carga gira em torno de uma linha reta em enquanto avança nessa direção.
Resposta
A trajetória da carga é helicoidal, descrita pelas equações: