Magnetismo: Força magnética

A tecnologia mais moderna do século XXI baseia-se no eletromagnetismo, ou seja, na interação entre fenômenos elétricos e magnéticos. Uma das frentes mais promissoras de pesquisa da física é a de supercondutores – o desenvolvimento de dispositivos com material que ofereça resistência praticamente nula à passagem de uma corrente elétrica. Material desse tipo, que existe apenas em laboratório, por ter resistência nula aceita grande intensidade de corrente e, assim, cria um campo magnético muito poderoso, capaz de fazer levitar objetos bastante pesados. É o princípio que faz um trem Maglev flutuar sobre os trilhos e, assim, evitar a força de atrito, que oporia resistência ao movimento.

Força sobre uma partícula

Assim como uma carga elétrica fica sujeita a uma força elétrica quando colocada em uma região onde existe um campo elétrico, ela também sofre a ação de uma força magnética quando colocada num campo magnético uniforme – aquele  no qual o campo magnético é constante. Porém, essa força magnética surge apenas quando a carga elétrica se movimenta em uma direção perpendicular à do vetor campo magnético, ou quando existe uma componente de sua velocidade perpendicular ao campo magnético. Se a carga elétrica estiver em repouso ou se movimentar numa direção paralela à do vetor campo magnético, ela não sofrerá a ação da força magnética.

 Matematicamente, a expressão que fornece a intensidade da força magnética sobre uma carga elétrica imersa num campo magnético é:

 Note que, se a partícula está em repouso, a força magnética é nula (se v = 0, então, Fm = 0). Repare que a força magnética também é nula se a partícula se desloca paralelamente ao campo magnético (se i = 0° ou i = 180°, então, Fm = 0), pois o seno de 0o ou de 180º é zero.  

Para determinarmos a direção e o sentido da força magnética, utilizamos a regra da mão direita número 2. Se o polegar da mão direita aberta apontar no sentido da velocidade da partícula, os demais dedos apontarão no sentido do campo magnético. Veja:

Caso a partícula que se movimenta no campo magnético seja negativa (q < 0), a direção e o sentido da força magnética que atua sobre ela são dados pelo dorso da mão direita.

A força magnética que atua sobre uma partícula de carga elétrica negativa (q < 0) tem o sentido contrário ao sentido em que a mão direita daria um empurrão, mas a mesma direção. 

Trajetória de uma carga elétrica

A trajetória descrita por uma carga elétrica lançada com certa velocidade num campo magnético uniforme varia segundo a direção e o sentido de seu lançamento em relação ao campo magnético.

Lançamento em paralelo

 A força magnética que atua sobre a partícula é nula, porque o seno do ângulo 0º ou 180º é zero. A partícula continua, portanto, sua trajetória retilínea, sem alterar nem a velocidade, nem a direção, nem o sentido (em movimento retilíneo uniforme).

Quer siga no mesmo sentido, quer siga no sentido oposto, a partícula que se movimenta em paralelo ao vetor campo magnético não tem nenhuma força magnética atuando sobre si.

Lançamento perpendicular

Uma partícula de carga elétrica positiva (q > 0) é lançada num campo magnético uniforme com direção perpendicular ao plano de papel e sentido para dentro da folha, como mostra a figura abaixo. Neste caso, existe uma força magnética atuando sobre a partícula. E sua direção e seu sentido são dados pela regra da mão direita número 2.

 Uma partícula de carga elétrica negativa (q < 0) tem o sentido do movimento circular uniforme invertido. Compare na figura abaixo, que mostra três partículas lançadas em um campo magnético perpendicular ao plano do papel e com sentido para dentro da folha.

Para calcular o raio da trajetória descrita por uma partícula eletrizada em movimento circular dentro de um campo magnético uniforme, basta perceber que a força magnética que atua sobre a partícula é a própria resultante centrípeta. Matematicamente:

Força sobre um condutor retilíneo

Uma corrente elétrica que percorre um fio condutor retilíneo imerso numa região com campo magnético nada mais é que uma série de elétrons se movimentando no campo magnético, cada um deles sob a ação de uma força magnética. A composição das forças magnéticas que atuam em cada um dos elétrons que se deslocam dentro do fio condutor resulta na força magnética que atua no fio condutor como um todo.  A intensidade da força magnética que atua num fio condutor imerso em um campo magnético e percorrido por corrente elétrica é:

 A direção e o sentido da força magnética que atua sobre um condutor retilíneo percorrido por corrente elétrica também são dados pela regra da mão direita número 2. Basta que o polegar da mão direita aponte no mesmo sentido da corrente elétrica convencional, e os demais dedos apontarão no mesmo sentido do campo magnético (veja a ilustração na pág. ao lado). Portanto, no caso de um fo retilíneo percorrido por corrente elétrica, temos: