Enunciado

Um elétron é introduzido em uma das extremidades de um solenoide. Ao penetrar no campo magnético uniforme que existe no interior do solenoide, o eletron tem uma velocidade escalar de 800   m / s e seu vetor velocidade faz um ângulo de 30 ° com o eixo central do solenoide. O solenoide tem 8000 espiras e conduz uma corrente de 4,0   A . Quantas revoluções o elétron descreve no interior do solenoide antes de chegar à outra extremidade? (Em um solenoide real, no qual o campo não é uniforme perto das extremidades, o número de revoluções é ligeiramente menor que o valor calculado neste problema.)

Passo 1

Nessa situação nós temos um elétron (que é uma partícula carregada) realizando um movimento circular! Se uma partícula se move ao longo de uma circunferência com velocidade constante, podemos ter certeaz de que a força que age sobre a partícula tem módulo constante e aponta para o centro da circunferência, mantendo-se perpendicular à velocidade da partícula.Pensa numa pedra amarrada numa corda que gira em torno da Terra em uma órbita circular. Nesse caso, a tensão da corda é responsável pela força e pela aceleração cemtrípeta.

A figura abaixo mostra um outro exemplo: feixe de elétrons é lançado em uma câmara por um canhão de elétrons G. OS elétrons se movem no plano do appel com velocidade v , em uma região na qual existe um campo magnético B → dirigido para fora do papel. Em consequência, uam força magnética F → = q v → × B → age continuamente sobre os elétrons. Como v → e B → são perpendiculares, a força faz com que os elétrons descrevam uma trajetória circular.

O período T (tempo necessário para completar uma revolução) é igual à circunferência dividida pela velocidade:

T = 2 π r v = 2 π v ⋅ m v q B = 2 π m | q | B

Na nossa questão, as coisas parecem um pouco complicadas de início mas não precisa se preocupar! Vamos supor que o solenoide pe ideal. Assim, o período T do movimento do elétron é dado por:

T = 2 π m e B = 2 π m e μ o i n = 2 π m L e μ o i N ,

na qual m é a massa do elétron, L é o ocmprimento do solenoide, i é a corrente do solenoide e N é o número de espiras do solenoide.

Por outro lado, o tempo que o elétron leva pra atravessar o solenoide é:

t = L v I I = L v c o s ( 30 ° ) = L 0,866 v ,

na qual v I I é a componente da velocidade paralela ao eixo do solenoide. Assim, o número de revoluções é:

n = t T = L 0,866 v ⋅ e μ o i N 2 π m L n = 1,6 × 10 - 19 C 4 π × 10 - 7 H m 4,0   A 8000 2 π ( 0,866 ) ( 800 m s ) ( 9,11 × 10 - 31   k g ) = 1,6 × 10 6

Resposta

O número de revoluções é:

n = 1,6 × 10 6

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