Na figura, temos três fios condutores retos, A, B e C, paralelos e extensos.
Os fios são percorridos por correntes iA=10 A, iB=20 A e
iC=30 A, nos sentidos indicados, e encontram-se a uma distância
\( L=2\sqrt{3\;}\ \text{m} \)
um do outro. Determine o vetor campo magnético no centro O do triângulo (baricentro).
Adotar
\( \mu_{0}=4\pi .10^{-7}\frac{\text{T.m}}{\text{A}} \).
Dados do problema:
- Corrente no fio A: iA = 10 A;
- Corrente no fio B: iB = 20 A;
- Corrente no fio C: iC = 30 A;
- Distância entre os fios: \( L=2\sqrt{3\;}\ \text{m} \);
- Permeabilidade magnética do vácuo: \( \mu_{0}=4\pi .10^{-7}\frac{\text{T.m}}{\text{A}} \).
Esquema do problema:
Solução
Como a distância entre os fios é a mesma eles ocupam os vértices de um triângulo equilátero. A
distância dos fios A, B e C ao ponto O onde se deseja o valor do
campo magnético pode ser calculada com base na Figura 2.
A altura
\( \overline{AM} \)
é perpendicular ao lado
\( \overline{BC} \),
e divide este lado em duas partes iguais, assim
\( \overline{BM}=\frac{\overline{BC}}{2}=\frac{2\sqrt{3\;}}{2}=\sqrt{3\;}\;\text{m} \).
O segmento
\( \overline{OB} \)
divide o ângulo
\( A\hat{B}C \)
ao meio, portanto o ângulo
\( O\hat{B}M \)
vale 30°, assim a distância r dos fios ao centro O será
\( r=\overline{OA}=\overline{OB}=\overline{OC} \).
\[
\begin{gather}
\cos 30°=\frac{\text{cateto adjacente}}{\text{hipotenusa}}=\frac{\overline{{BM}}}{r}\\
r=\frac{\overline{{BM}}}{\cos 30°}=\frac{\sqrt{3\;}}{\dfrac{\sqrt{3\;}}{2}}=\cancel{\sqrt{3\;}}.\frac{2}{\cancel{\sqrt{3\;}}}=2\;\text{m}
\end{gather}
\]
O módulo do campo magnético de um fio reto é calculado pela expressão
\[
\begin{gather}
\bbox[#99CCFF,10px]
{B=\frac{\mu _{0}}{2\pi}\frac{i}{r}} \tag{I}
\end{gather}
\]
O vetor indução magnética
\( {\vec{B}}_{A} \),
devido à corrente que percorre o fio
A, será dado pela
regra da mão direita, será
tangente à linha de indução magnética no ponto
O e perpendicular ao segmento
\( \overline{OA} \)
(Figura 3), aplicando a expressão (I)
\[
\begin{gather}
B_{A}=\frac{\mu_{0}}{2\pi}\frac{i_{A}}{r}\\
B_{A}=\frac{\cancel{4}\cancel{\pi} .10^{-7}}{\cancel{2}\cancel{\pi}}.\frac{10}{\cancel{2}}\\
B_{A}=10.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
Figura 3
O vetor indução magnética
\( {\vec{B}}_{B} \),
devido à corrente que percorre o fio
B será dado pela
regra da mão direita, será
tangente a linha de indução magnética no ponto
O e perpendicular ao segmento
\( \overline{OB} \) (Figura 4).
O ângulo
\( O\hat{B}C \)
é igual a 30°, este ângulo e o ângulo α são alternos internos, então α também vale
30°. O ângulo β será
\[
\begin{gather}
\alpha +90°+\beta=180°\\
30°+90°+\beta =180°\\\
\beta=180°-120°\\\
\beta =60°
\end{gather}
\]
Aplicando a expressão (I)
\[
\begin{gather}
B_{B}=\frac{\mu_{0}}{2\pi}\frac{i_{B}}{r}\\
B_{B}=\frac{\cancel{4}\cancel{\pi} .10^{-7}}{\cancel{2}\cancel{\pi}}\frac{20}{\cancel{2}}\\
B_{B}=20.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O vetor indução magnética
\( {\vec{B}}_{C} \),
devido à corrente que percorre o fio
C será dado pela
regra da mão direita, será
tangente a linha de indução magnética no ponto
O e perpendicular ao segmento
\( \overline{OC} \) (Figura 5).
O ângulo
\( O\hat{C}B \)
é igual a 30°, este ângulo eo ângulo α são alternos internos, então α também vale
30°. O ângulo β será
\[
\begin{gather}
\alpha +\beta =90°\\
30°+\beta=90°\\
\beta =90°-30°\\
\beta=60°
\end{gather}
\]
é o ângulo formado entre o vetor
\( {\vec{B}}_{C} \)
e a horizontal (Figura 5).
Aplicando a expressão (I)
\[
\begin{gather}
B_{B}=\frac{\mu_{0}}{2\pi}\frac{i_{B}}{r}\\
B_{B}=\frac{\cancel{4}\cancel{\pi} .10^{-7}}{\cancel{2}\cancel{\pi}}\frac{30}{\cancel{2}}\\
B_{B}=30.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O vetor campo magnético resultante será calculado pela soma vetorial
\[
\vec{B}={\vec{B}}_{A}+{\vec{B}}_{B}+{\vec{B}}_{C}
\]
desenhando os vetores
\( {\vec{B}}_{A} \),
\( {\vec{B}}_{B} \)
e
\( {\vec{B}}_{C} \)
em um sistema de eixos coordenados e calculando as suas componentes nas direções
x e
y (Figura 6)
Figura 6
Direção
x:
\[
\begin{gather}
B_{Ax}=B_{A}\cos 0°=10.10^{-7}.1=10.10^{-7}\;\text{T}\\[5pt]
B_{BX}=B_{B}\cos (-60°)=B_{B}\cos 60°=20.10^{-7}.\frac{1}{2}=10.10^{-7}\;\text{T}\\[5pt]
B_{Cx}=B_{C}\cos 60°=30.10^{-7}.\frac{1}{2}=15.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O módulo do vetor resultante na direção
x será
\[
\begin{gather}
B_{x}=B_{Ax}+B_{BX}+B_{Cx}\\
B_{x}=10.10^{-7}+10.10^{-7}+15.10^{-7}\\
B_{x}=35.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
Direção
y:
\[
\begin{gather}
B_{Ay}=B_{A}\operatorname{sen}0=10.10^{-7}.0=0\\[5pt]
B_{By}=B_{B}\operatorname{sen}(-60°)=-B_{B}\operatorname{sen}60°=-20.10^{-7}.\frac{\sqrt{3\;}}{2}=-10\sqrt{3\;}.10^{-7}\;\text{T}\\[5pt]
B_{Cy}=B_{C}\operatorname{sen}60°=30.10^{-7}.\frac{\sqrt{3\;}}{2}=15\sqrt{3\;}.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O módulo do vetor resultante na direção
y será
\[
\begin{gather}
B_{y}=B_{Ay}+B_{By}+B_{Cy}\\
B_{y}=0-10\sqrt{3\;}.10^{-7}+15\sqrt{3\;}.10^{-7}\\
B_{y}=5\sqrt{3\;}.10^{-7}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O módulo do vetor resultante
\( \vec{B} \)
será calculado aplicando-se o
Teorema de Pitágoras (Figura 7-A)
\[
\begin{gather}
B^{2}=B_{x}^{2}+B_{y}^{2}\\
B^{2}=\left(\;35.10^{-7}\;\right)^{2}+\left(\;5\sqrt{3\;}.10^{-7}\;\right)^{2}\\
B^{2}=\left(\;1225.10^{-14}\;\right)+\left(\;25.3.10^{-14}\;\right)\\
B^{2}=(\;1225+75\;).10^{-14}\\
B=\sqrt{1300.10^{-14}\;}\\
B=3,6.10^{-6}\;\text{T}
\end{gather}
\]
O vetor
\( \vec{B} \)
formará com o eixo-
x um ângulo θ dado por
\[
\begin{gather}
\operatorname{tg}\theta =\frac{\text{cateto oposto}}{\text{cateto adjacente}}=\frac{B_{y}}{B_{x}}\\
\operatorname{tg}\theta=\frac{5\sqrt{3\;}.\cancel{10^{-7}}}{35.\cancel{10^{-7}}}\\
\operatorname{tg}\theta \simeq0,25\\
\theta =\operatorname{arctg}(0,25)\simeq 14°
\end{gather}
\]
O vetor resultante é mostrada na Figura 7-B
Intensidade: 3,6.10−7 T ;
Direção: formando um ângulo de 14º com a horizontal ;
Sentido: para a direita .