Enunciado
Física - Fundamentos de Física Volume 3 - Eletromagnetismo - 8ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 8º - Capítulo 32.9 - Ex. 38
Um elétron de massa e carga se move em uma órbita circular de raio em torno de um núcleo quando um campo magnético uniforme é aplicado perpendicularmente ao plano da órbita. Supondo que o raio da órbita não varia e que a variação da velocidade do elétron devido ao campo é pequena, escreva uma expressão para a variação do momento dipolar magnético orbital do elétron devido à presença do campo.
Passo 1
Esse é um problema mais complicadinho (mas bem divertido). Imagine um elétron em uma órbita circular com um raio e uma velocidade . Qual seria o seu momento magnético orbital neste momento?
Ora, basta você lembrar da analogia do modelo de espira para órbitas de elétrons:
Sabemos que
Assim,
No problema foi dito para supormos que o raio é mantido fixo, de modo que a única forma de haver uma variação de é se houver uma mudança de velocidade:
Como que o campo magnético consegue fazer isso? Essa é a pergunta que temos que responder nesse problema!
Passo 2
Inicialmente não havia campo magnético e do nada ele aparece: claramente houve uma variação brusca do campo. Desta forma, o fluxo magnético sobre a espira também variou, induzido um campo elétrico! Esse campo induzido vai acelerar o elétron, mudando sua velocidade: assim explicamos o motivo de haver uma variação de !
Bom, agora que entendemos qualitativamente o problema, vamos fazer contas. O primeiro passo é calcular o campo elétrico induzido. Para isso, vamos usar a lei de Faraday:
Temos que
Como o fluxo é perpendicular ao plano da órbita, o campo induzido estará no plano orbital. Tomando a órbita como circuito para fazer a integral de linha de , vamos ter que
Esse campo será tangencial à órbita.
Passo 3
A força que o elétron sentirá devido a esse campo induzido será
Pela segunda lei de Newton:
Assim,
Passo 4
Agora vem o pulo do gato para acabar o problema: inicialmente o campo era nulo e muito rapidamente ele passa a ser , assim sua variação vai ser
Portanto,
Assim, a variação será dada por