Enunciado

O capacitor na FIGURA P33.44 está carregado a 50 V. O interruptor é fechado em t =   0   s . Desenhe um gráfico que represente a intensidade do campo magnético em função do tempo na posição indicada pelo ponto. No gráfico, indique a intensidade máxima do campo e uma escala numérica apropriada para o eixo horizontal.

Passo 1

Faaaaaala, galera... Tranquileba??

Primeiro precisamos achara equação para o descarregamento da corrente, para assim sim podermos aplicar ao campo magnético.

Assim, a corrente de descarregamento é dada deste modo:

Usando a lei de Kirchoff, isto é:

∑ i n Δ V i = 0

Quando o circuito é fechado, como neste circuito. Assim:

Δ V - V r e s i s t o r - V c a p a c i t o r = 0

ϵ - R * I - Q t C = 0

Sabemos que:

I = d Q d t

Logo:

ϵ - R d Q d t - Q t C = 0

d Q d t = ϵ R - Q t R C

d Q d t = C ϵ - Q t R C

Sabemos que a carga total no capacitor é:

Q 0 = C ϵ

Logo:

d Q d t = Q 0 - Q t R C

Façamos:

Q 0 - Q t = U

Logo:

d U = - d Q d t   d t

Assim:

d U = - U R C   d t

d U U = - 1 R C   d t

O limite de integração para U, que é a corrente, é da corrente inicial até o final, e do tempo e é de 0 até o tempo determinado, isto é, t’:

∫ Q 0 Q d U U = ∫ 0 t - 1 R C   d t

ln ⁡ Q Q 0 = - t R C

Q Q 0 = e - t R C

Q = Q 0 e - t R C

Procurávamos a corrente, então:

d Q d t = Q 0 R C   e - t R C

Pelo que demos antes sobre ϵ = Q 0 C , concluímos que:

I = ϵ R e - t R C

E já estamos com o pé na resposta, não?

Bora pro próximo passo!

Passo 2

Aplicando os valores dados:

I = 50 V 5 Ω   e - t 10 μ s = 10 A   e - t 10 μ s

Sendo a corrente gerada no fio

Passo 3

Definamos a o campo elétrico a uma distancia d de um fio. Saca só:

Sabemos que a lei de Bio-Savart é:

d B = μ 0 4 π d l sin ⁡ θ r 2

E para um fio muito longo, como:

Temos que:

sin ⁡ θ = d r

E:

r = d 2 + l 2

Assim:

d B = μ 0 4 π d l d 2 + l 2 d d 2 + l 2 = μ 0 4 π I d d l d 2 + l 2 3 2

Sendo um fio muito longo, logo:

- ∞ ≤ l ≤ + ∞

Logo:

B = μ 0 4 π I d ∫ - ∞ + ∞ d l d 2 + l 2 3 2

De integral simples. Assim, o campo elétrico a uma distância d sobre um fio longo que passa uma corrente é:

B = μ 0 2 π I d

Aplicando a nossa corrente já conhecida:

B t = μ 0 2 π 10 A   e - t 10 μ s d

Aplicando os valores:

B t = 2 × 10 - 7 T m A 1 × 10 - 2 m 10 A   e - t 10 μ s

B t = 2 × 10 - 4   T e - t 10 μ s

Fazendo um gráfico, obtemos:

Resposta

B t = 2 × 10 - 4   T e - t 10 μ s

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