Um solenoide longo com 10,0 espiras/cm e um raio de 7,00 cm conduz uma corrente de 20,0 mA. Um condutor retilíneo situado no eixo central do solenoide conduz uma corrente de 6,00 A. (a) A que distância do eixo do solenoide a direção do campo magnético resultante faz um ângulo de
com a direção do eixo? (b) Qual é o módulo do campo magnético a essa distância do eixo?
Passo 1
Beleza, vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. Temos um solenoide longo com 10,0 espiras por centímetro e um raio de 7,00 cm que está conduzindo uma corrente de 20,0 mA. Além disso, há um fio retilíneo no eixo do solenoide com corrente de 6,00 A. Precisamos encontrar:
(a) A distância do eixo do solenoide onde a direção do campo magnético resultante forma um ângulo de
com o eixo.
(b) O módulo do campo magnético nessa distância.
(b) O módulo do campo magnético nessa distância.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de campos magnéticos produzidos por solenoides e fios retilíneos, além de entender como eles se combinam.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular o campo magnético gerado pelo solenoide. A fórmula para o campo magnético dentro de um solenoide é:
Onde:
-
é a permeabilidade do vácuo ( ), -
é o número de espiras por unidade de comprimento, -
é a corrente que passa pelo solenoide.
Convertendo o número de espiras por centímetro para por metro:
Agora, a corrente no solenoide é de 20,0 mA, ou seja,
.
Substituindo na fórmula:
Passo 3
Calculando o campo do solenoide:
Agora, vamos calcular o campo magnético gerado pelo fio retilíneo no eixo do solenoide. A fórmula para o campo magnético a uma distância
de um fio retilíneo é:
Onde
é a corrente no fio e
é a distância do fio.
Passo 4
Sabemos que o campo magnético resultante faz um ângulo de
com o eixo. Isso significa que os campos do solenoide e do fio formam um vetor resultante que faz esse ângulo.
Podemos usar relações trigonométricas para isso. Como o ângulo é
, os componentes dos campos devem ser iguais:
Então, igualando os dois campos:
Passo 5
Agora, vamos resolver para
:
Primeiro, simplificamos os termos:
Cancelando
:
Simplificando os números:
Agora, isolamos
:
Convertendo para centímetros:
Resposta
(a) A distância do eixo do solenoide onde o campo magnético resultante forma um ângulo de
é de 15,0 cm.
(b) O módulo do campo magnético a essa distância é de aproximadamente 8π × 10⁻⁶ T.