Eletromagnetismo Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica Introdução O estudo do movimento de partículas carregadas sob a ação de campos elétricos e magnéticos se reveste de grande importância. Isso envolve não apenas o problema teórico de determinar as soluções das equações de movimento, como também o uso prático nas pesquisas científicas e seu uso no domínio da tecnologia. Na pesquisa científica, podemos citar o problema do confinamento magnético de um plasma, ou seja, como confinar a matéria no seu quarto estado, quando os constituintes dos átomos se encontram separados, formando uma sopa de elétrons e núcleos. Figura 1 Figura 2: Acelerador linear do Instituto de Física da USP. Outra aplicação desse tópico, ainda no campo científico, envolve a construção de aceleradores de partículas, que constituem o principal dispositivo para se investigar a estrutura tanto do núcleo quanto dos constituintes últimos da matéria. Num acelerador (utilizado na Física Nuclear e na área da Física das Partículas Elementares), procura-se assegurar que as trajetórias das partículas permaneçam em determinadas órbitas, formando trajetórias praticamente circulares. Ao longo dessas órbitas, as partículas serão aceleradas e, ao atingir a velocidade almejada, são colocadas em rota de colisão. As aplicações mencionadas, física do plasma, física nuclear e física das partículas elementares, são voltadas para a ciência básica. 1 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 2 As aplicações práticas desse tipo de estudo são muito amplas. O melhor exemplo é o monitor do computador, em que a trajetória dos elétrons permite que sua colisão com uma substância fosforescente gere as múltiplas cores que observamos na tela do computador. Figura 3: Esquema de funcionamento do monitor de vídeo. Apresentaremos soluções explícitas para o problema bastante geral do movimento de partículas carregadas apenas para o caso de campos uniformes ou campos que variem com o tempo. Apesar de simples, os casos apresentados são de grande relevância, tendo em vista as muitas aplicações que podemos fazer. Expressões Gerais Quando uma partícula, cuja carga é q, se move em uma região do espaço na qual existe um campo magnético e um campo elétrico, ela experimenta a ação de duas forças: uma força elétrica ( Fe) e uma força magnética ( Fm). A soma das duas é por vezes conhecida como Força Lorentz e sua expressão é: F ( r , v , t ) ≡ Fe + Fm = q E ( r , t ) + v × B ( r , t ) ( 1 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 3 Figura 4 Na expressão apresentada, v é a velocidade da partícula e r é o vetor de posição. O problema do movimento de uma partícula sob a ação de campos eletromagnéticos se resume a encontrar uma solução para o vetor posição, solução essa dependente do tempo, r = r (t ) ( 2 ) De tal forma que r ( t ) seja solução da equação de Newton: m d 2r dr q E r , t + = ( ) dt × B ( r , t ) dt 2 ( 3 ) Em que m é a massa da partícula. A equação apresentada é, de fato, um conjunto de 3 equações. De forma geral, escrevemos: d 2x dz dy m 2 = qEx ( x, y, z , t ) + q Bz ( x, y, z , t ) − By ( x, y, z , t ) dt dt dt d2y dx dz m 2 = qE y ( x, y, z , t ) + q Bx ( x, y, z , t ) − Bz ( x, y, z , t ) dt dt dt d 2z dy dx m 2 = qEz ( x, y, z , t ) + q By ( x, y, z , t ) − Bx ( x, y, z , t ) dt dt dt ( 4 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 4 Em geral, recaímos em um problema bastante complexo, pois nos referimos à solução de um conjunto de três equações de segunda ordem que são acopladas (a equação para uma das variáveis envolve as demais). Exceto para alguns casos nos quais a dependência dos campos com os pontos do espaço e com o tempo seja bastante simples, é muito difícil conseguir uma solução analítica para uma equação a derivadas de segunda ordem no tempo. Isso se torna ainda mais difícil ainda se essas equações estiverem acopladas, como é o caso. Portanto, deveremos considerar apenas casos simples, mas ainda assim de grande interesse. Movimento de partículas quando o campo elétrico depende apenas do tempo A título de ilustração, consideremos a situação em que uma partícula se mova em uma região onde o campo elétrico seja uniforme no espaço, mas que dependa do tempo. Escrevemos assim: E ( r , t ) = E0 ( t ) ( 5 ) No caso em que o campo magnético é nulo, a equação de Newton se escreve: d 2r (t ) m = q E ( r , t ) dt 2 ( 6 ) dv ( t ) m = q E ( r , t ) dt ( 7 ) Ou, de outra forma: Utilizando a definição da aceleração, reduzimos o problema a determinar a velocidade da partícula. Isso é possível porque a equação para a velocidade é uma equação de primeira ordem no tempo, que pode ser integrada tomando-se a integral no tempo de ambos os lados. t dv ( t ′ ) m∫ dt ′ = q ∫ E ( t ′ )dt ′ 0 0 dt ′ t ( 8 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 5 A integral do primeiro termo é trivial e nos leva ao seguinte resultado: dv ( t ′ ) m∫ dt ′ = m ( v ( t ) − v ( t = o ) ) ≡ m ( v ( t ) − v0 ) 0 dt ′ t ( 9 ) Integrando ambos os membros da equação, determinamos a velocidade da partícula como função do tempo: t q v ( t ) − v0 = ∫ E0 ( t ′ )dt ′ m0 ( 10 ) A solução envolve uma integral no tempo e a velocidade no instante de tempo t = 0. Admitiremos que a velocidade inicial (v0) seja conhecida: esse é um ponto muito importante. A solução completa pressupõe o conhecimento da velocidade em algum instante de tempo, o que é chamado de condição inicial, pois é sabido que o movimento depende de como ele se iniciou (arbitrariamente tomamos o início do movimento no instante de tempo t = 0). Como resultado das integrais, só nos interessa o que ocorreu depois desse instante de tempo. Levando em conta a definição da velocidade, a equação apresentada se escreve agora como uma equação de primeira ordem para a posição: t dr ( t ) q − v0 = ∫ E0 ( t ′ )dt ′ dt m0 ( 11 ) Integrando cada termo dessa equação como fizemos para o caso da velocidade, encontraremos que o vetor posição será dado pela expressão: t ′′ q t r ( t ) = r ( t = 0 ) + v0t + ∫ dt ′′∫ E0 ( t ′ )dt ′ 0 m 0 ( 12 ) Como esperado, a solução envolve o conhecimento não só da velocidade no instante de tempo inicial, como também da posição inicial da partícula. As condições iniciais a serem especificadas, como em todo problema de mecânica, serão os dados sobre a posição e velocidade iniciais: r ( t = 0 ) ≡ r0 v ( t = 0 ) ≡ v0 ( 13 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 6 Consideremos o caso em que o campo elétrico seja um campo uniforme: o vetor de posição para qualquer tempo será dado por: q 2 r ( t ) = r0 + v0t + E0t 2m ( 14 ) Obtemos da equação que o movimento é uniformemente variado, pois a aceleração é constante e dada por: q a ( t ) = E0 m ( 15 ) Imaginando uma escolha do eixo z coincidindo com a direção do campo elétrico, a solução geral se escreve como: x = x +v t 0 0x y = y0 + v0 y t ( 16 ) qE z = z0 + v0 z t + o t 2 2m Eliminando o tempo na primeira equação, obtemos: t= x − x0 v0 x ( 17 ) Substituindo essa expressão para o tempo, na equação para z da expressão (000), obtemos a equação da trajetória: x − x0 qEo x − x0 z = z0 + v0 z + v0 x 2m v0 x Figura 5 2 ( 18 ) O movimento é uniformemente variado e, de acordo com a expressão, a trajetória da partícula é uma parábola. Um exemplo desse caso acontece quando uma partícula atravessa a região compreendida entre as placas de um capacitor. Figura 6 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 7 Movimento em um campo magnético Uma característica interessante da força magnética pode ser entendida analisando-se o trabalho realizado ao longo de um deslocamento infinitesimal dr , dado por: d τ = dr ⋅ Fm ( 19 ) O trabalho realizado pela força magnética, a potência, é nula. Isto é: d τ dr P≡ = ⋅ Fm = 0 dt dt ( 20 ) Isso ocorre porque, de acordo com a expressão (000), a força magnética é sempre perpendicular à velocidade da partícula. Concluímos portanto que: A força magnética não realiza trabalho. Como consequência, a energia cinética de uma partícula sob a ação apenas de campos magnéticos não se altera ao longo do movimento. Para IB dado por (000), obtemos para (000) dv m = qv × B dt ( 21 ) Multiplicando (000) por (000), obtemos dv vm =0 dt ( 22 ) O que implica que a energia da partícula sob a ação do tempo externo se conserva, pois segue de (000) que: 2 d mv =0 dt 2 Decorrência do fato de que a função magnética não realiza trabalho. ( 23 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 8 Campo Magnético Uniforme Tomemos outro caso simples, mas igualmente interessante: a partícula está sob a ação de um campo IB constante: B = Bo K ( 24 ) Para IB dado por (000), obtemos para os componentes: dx = B0 y dt dy m = − B0 x dt dz =0 dt m ( 25 ) A equação (000) apenas implica a conservação do momento na direção longitudinal do campo. As variáveis x+ = x + iy x− = x − iy ( 26 ) Nos termos dessas variáveis, podemos escrever d 2 x+ −ieB d = ( x+ ) dt 2 m dt ( 27 ) A parte transversa da equação (000) nada mais significa do que as partes real e imaginária da equação (000). Podemos procurar uma solução de (000) sob a forma x+ = c1e − iωt + c2 ( 28 ) x − a = A cos(ωt + y ) y − b = − A sen( wt + y ) ( 29 ) A solução procurada se escreve Figura 7 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 9 Em que w= eB m ( 30 ) A carga de eletron é XXXX. De (000), segue que ( x − a) + ( y − b) 2 2 = R2 ( 31 ) O que implica que a projeção da trajetória no plano transverso descreverá um círculo cujo raio é R. Seja v1 o módulo da velocidade na direção transversa. A partir de (000), pode-se observar que R 2 ω2 = x 2 + y 2 = vT2 ( 32 ) Portanto R= vT mv1 = ω eB ' ( 33 ) Uma aplicação muito simples desse resultado é o espectrômetro de massas. Nesse arranjo experimental, as partículas de massas diferentes entram com uma velocidade inicial XXXX em uma região onde existe um campo magnético uniforme, como mostra a Figura 000. Figura 8 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 10 Se tivermos partículas de massas diferenças no feixe, cada partícula (XXXX cargas iguais) deverá descrever trajetórias circulares cujos raios serão xxx pela relação (vide 000). R1 M 1 = R2 M 2 ( 34 ) Efeito Hall O aparecimento de uma diferença de potencial nas extremidades de um condutor transportando uma corrente i localizada em uma região onde existe um campo magnético uniforme é conhecido como efeito Hall. Para entendê-lo, consideramos a situação ilustrada na figura a seguir. Figura 9 Para um transportador de carga Q, devemos esperar uma tal ação de força magnética sobre ele que o tenda a se defletir em direção a uma das paredes x = o ou x = a. No entanto, com o passar do tempo, as cargas se acumulam nas paredes (vide figura) e criam um campo elétrico uniforme EH na região entre as “placas” contendo as cargas elétricas. A diferença de potencial, que pode ser medida explicitamente, é dada pela expressão: VH = aEH ( 35 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 11 Os transportadores de carga elétrica ficam agora sujeitos a dois campos. Para que eles passem sem deflexão, devemos impor, em relação aos campos elétrico e magnético, a seguinte condição para a velocidade: V= EH B ( 36 ) De (000), segue que as velocidades dos elétrons que passam sem deflexão satisfazem à condição V= VH aB ( 37 ) Uma das aplicações interessantes do efeito Hall é a possibilidade de determinarmos a densidade de transportadores. Isso é possível porque, sendo a corrente dada pelo produto I = JA ( 38 ) Em que J é a densidade de corrente e A é a área de uma seção transversal do condutor. A densidade de corrente, por outro lado, se relaciona com a densidade (número de transportadores por unidade de volume - n) J = neV ( 39 ) I IBa = Aev Aeφ H ( 40 ) Então, de (000) e (000), obtemos: n= De (000), concluímos que é possível determinar a densidade de transportadores a partir da determinação das grandezas consideradas, todas ao alcance experimental. Figura 10: Esquema de um seletor de velocidades. Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 12 Movimento em campos uniformes e paralelos Consideremos o caso do movimento de uma partícula sob a ação de um campo magnético e de um campo elétrico, ambos uniformes e paralelos um em relação ao outro. Vamos supor que o campo uniforme B0 esteja ao longo do eixo z, o mesmo acontecendo com o campo elétrico. Assim, admitimos que os campos têm apenas a componente z, e por isso escrevemos: B = B0 k E = E0 k ( 41 ) As componentes da força de Lorentz são portanto: Fx = v y B0 Fy = −vx B0 ( 42 ) Fz = E0 A equação de Newton agora se escreve: dvx qB0 = vy dt m dv y qB = − 0 vx dt m qE0 dvz = dt m ( 43 ) A solução para a última equação é: vz ( t ) = qE0 t + v0 z m ( 44 ) Em que v0z é a componente z da velocidade inicial (a velocidade no instante de tempo t = 0). Dessa equação, segue que a dependência da coordenada z com o tempo é: z (t ) = qE0 2 t + v0 z t + zo 2m ( 45 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 13 Conclui-se portanto que, se o campo magnético for nulo, a trajetória da partícula será uma parábola (vide Figura 000). Consideremos agora o caso mais geral, em que o campo magnético não é nulo. Derivando as duas primeiras equações com respeito ao tempo e substituindo as derivadas usando essas mesmas equações, obtemos: Vx = A cos (ωB t + δ x ) Vy = B cos (ωB t + δ y ) ( 46 ) As soluções dessas equações são bem conhecidas, uma vez que se trata de equações análogas às do movimento do oscilador harmônico. Para a dependência das velocidades com o tempo, escrevemos: Vx = A cos ( ωB t + δ x ) Vy = B cos ( ωB t + δ y ) ( 47 ) Em que ωB é definido em (46) e as demais constantes aparentemente são arbitrárias. No entanto, substituindo essas soluções em (43), veremos que as expressões apresentadas apenas solucionam as duas primeiras equações de (43) se as seguintes condições forem satisfeitas: A= B δy ≡ δ π δx = − + δ 2 ( 48 ) Portanto, a solução para as componentes da velocidade são: Vx ( t ) = A sin ( ωB t + δ ) Vx ( t ) = A cos ( ωB t + δ ) ( 49 ) Consideremos uma partícula incidindo na região onde existe o campo magnético uniforme e dotada de uma velocidade inicial V0. Os valores das constantes A e δ são determinados a partir das componentes do vetor velocidade inicial. Obtém-se que: V0x ≡ Vx (t = 0) = A sin (δ) V0y ≡ Vy (t = 0) = A cos (δ) ⇒ A = vox 2 +voy 2 ( 50 ) Figura 11 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 14 Concluímos que: voy 2 + vox 2 = v 2 oy ( t ) + v 2 ox ( t ) ( 51 ) Essa é uma propriedade bastante geral do movimento. A solução para o vetor de posição será: x ( t ) = − A cos ( ωB t + δ ) + x0 y ( t ) = A sin ( ωB t + δ ) + y0 ( 52 ) Movimento em um campo magnético uniforme Nesse caso, consideramos o campo elétrico como sendo nulo. A partir de (000) e (000), obtemos para a solução da equação básica da mecânica as seguintes componentes do vetor de posição: x (t ) = − y (t ) = A cos ( ωB t + δ ) + x0 ωB A sin ( ωB t + δ ) + y0 ωB ( 53 ) z ( t ) = v0 z t + zo Consequentemente, a velocidade da partícula não se altera, uma vez que voy 2 + vox 2 + voz 2 = v 2 oy ( t ) + v 2 ox ( t ) + v 2 oz ( t ) ( 54 ) Ou seja, a sua energia cinética não se altera. A trajetória da partícula pode ser entendida a partir dos seguintes dados: 1. ao longo do eixo z (paralelo ao campo magnético), o movimento é uniforme. 2. considerando-se o movimento ao longo do plano z, vemos que o movimento é circular de raio R, sendo este dado por: 2 2 A m vox + voy R= = ωB qB0 ( 55 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 15 Essa é uma consequência de, de (000), seguir a expressão: ( x − x0 ) + ( y − y0 ) = 2 2 A2 ω0 2 ( 56 ) A partir de (000) e (000), concluímos que a trajetória será uma hélice centrada no ponto de coordenadas (x0, y0). O raio do círculo, de acordo com a expressão (000), será diretamente proporcional à massa da partícula. Figura 12 Figura 13: Combinação de campos elétricos é a base do acelerador denominado cíclotron. Movimento de um sistema de partículas: Teorema de Larmor Consideramos um sistema de partículas tal que elas tenham a mesma carga elétrica _____ e a mesma carga _____. Se tal sistema esteve sob a ação de uma força central e interna, escrevemos ri Fi ( ri ) = Fi ( ri ) ri r −r Fij = i j Fij ri − rj ri − rj c ( ) ( 57 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 16 Se tal sistema estiver sob a ação de um corpo magnético externo, então a equação de movimento da i-ésima partícula será md 2 ri c N qdri = + + ×B F F ∑ i i dt 2 dt j =1 ( 58 ) Quando analisada a partir de um referencial não inercial e em rotação com velocidade ω, a equação (000), levando em conta que Fi ( ri ) e Fij ri − rj ( ) ( 59 ) são invariáveis sob rotações, escreve-se: ′ dri′ md 2 ri′ c′ N ′ ′ ω ω + ω × × + F F m r q r B qB = + − × × × + 2mω ( ) ∑ i ij i i 2 dt dt j =1 ( ) ( ) ( 60 ) Considerando-se um sistema tal que sua velocidade angular seja qB ω = ωL = − 2m ( 61 ) A frequência definida acima é conhecida como frequência angular de Larmor. Nesse sistema, a equação do movimento é: md 2 ri′ c′ N ′ = Fi + ∑ Fij dt 2 j =1 ( 62 ) Para campos magnéticos pouco intensos, podemos desprezar o último termo da equação apresentada. Assim, para campos magnéticos fracos, a equação pode ser escrita como md 2 ri′ c′ N ′ = Fi + ∑ Fij dt 2 j =1 ( 63 ) Ou seja, na aproximação de campo magnético fraco, quando o sistema está sujeito a forças externas centrais, o único efeito deste campo magnético é provocar um movimento de precessão com velocidade angular igual à frequência de Larmor Figura 14 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 17 Exemplo da precessão de Larmor Como foi deduzido anteriormente, quando uma partícula se move em uma região limitada do espaço sob ação de um campo central, a adição de um campo magnético fraco produz um movimento de precessão (Teorema de Larmor). A seguir, daremos um exemplo explícito de tal fenômeno. Consideremos o caso de um oscilador harmônico central em duas dimensões, sob a ação de um campo magnético uniforme. Na ausência do campo magnético, escrevemos as equações sob a forma mr = −kr ( 64 ) em que k é a constante elástica do material. Ou seja, em termos de componentes mx = −mω02 x my = −mω02 y ( 65 ) Cuja solução é: x = x0 cos ( ωot + δ x ) y = y0 cos ( ωot + δ y ) ( 66 ) em que ωo = k m ( 67 ) No caso geral, trata-se do problema de superposição de movimentos harmônicos simples. Em geral, a trajetória é uma figura de Lissajoux. Analisaremos apenas o caso em que a trajetória seja uma linha reta, ou seja, as fases são tais que: δx = δ y = 0 ( 68 ) Figura 15 Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 18 Na presença de um campo magnético, admitindo as partículas como sendo dotadas de cargas elétricas, estas se movem de tal forma que as equações de movimento passam a ser: mx = −mω02 x + eBy ( 69 ) my = −mω02 y − eBx Portanto, a equação para x+ é: mx+ = mω0 x+ − ieBx+ ( 70 ) Procurando uma solução para (000) da forma x+ = Aeiαt ( 71 ) Substituindo tal solução em (000), obtemos : −mα 2 − eBα + mω02 = 0 ( 72 ) Obtemos duas soluções para o parâmetro α, a saber: eB α=− ± 2m ( eB ) 4m 2 2 + ω02 ( 73 ) Consideremos o caso no qual o campo magnético é fraco, ou seja, satisfaz a condição: eB wo 2m ( 74 ) Nessas circunstâncias, podemos escrever ωL = α = ±ωo − ωL eB 2m ( 75 ) em que ωL = eB 2m ( 76 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 19 é a frequência de Larmor. Temos, portanto duas soluções nesse caso: tomando a soma e a diferença dessas soluções, encontramos: ( (e x1+ + x 2 + = AeiωLt eiω0t + e − iω0t x1+ − x 2 + = AeiωLt − iω0t ) − e − iω0t ) ( 77 ) Inferimos que uma solução possível é a forma x = − ( x0 cos ωot ) sen ( ωLt + δ L ) y = + ( y0 cos ωot ) cos ( ωL t + δ L ) ( 78 ) No caso em que as amplitudes são iguais: x0 = y0 = A ( 79 ) r ( t ) = ( A cos ω0t ) eϕ ( t ) ( 80 ) O vetor posição pode ser escrito como: Em que eϕ ( t ) é um versor na direção da tangente a uma circunferência, dado em função do ângulo φ de acordo com a expressão: eϕ = − senϕi + cos ϕj ( 81 ) A solução (000) indica, portanto, a existência de dois tipos de movimento. Um deles é descrito como harmônico simples que, originalmente, se dava em uma direção bem definida. O outro é denominado precessão, com velocidade angular ωL, a velocidade angular de Larmor. Ou seja, nesse caso o ângulo φ varia com o tempo, de acordo com a expressão: ϕ(t ) = ωLt + δ L ( 82 ) Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica 20 Como usar este ebook Orientações gerais Caro aluno, este ebook contém recursos interativos. Para prevenir problemas na utilização desses recursos, por favor acesse o arquivo utilizando o Adobe Reader (gratuito) versão 9.0 ou mais recente. Botões Indica pop-ups com mais informações. Ajuda (retorna a esta página). Sinaliza um recurso midiático (animação, áudio etc.) que pode estar incluído no ebook ou disponível online. Créditos de produção deste ebook. Indica que você acessará um outro trecho do material. Quando terminar a leitura, use o botão correspondente ( ) para retornar ao ponto de origem. Bons estudos! Eletromagnetismo » Movimento de Partículas dotadas de carga elétrica Créditos Este ebook foi produzido pelo Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA), Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Autoria: Gil da Costa Marques. Revisão Técnica e Exercícios Resolvidos: Paulo Yamamura. Coordenação de Produção: Beatriz Borges Casaro. Revisão de Texto: Mônica Gama. Projeto Gráfico e Editoração Eletrônica: Daniella de Romero Pecora, Leandro de Oliveira e Priscila Pesce Lopes de Oliveira. Ilustração: Alexandre Rocha, Aline Antunes, Benson Chin, Camila Torrano, Celso Roberto Lourenço, João Costa, Lidia Yoshino, Maurício Rheinlander Klein e Thiago A. M. S. Animações: Celso Roberto Lourenço e Maurício Rheinlander Klein. 21