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Partícula carregada em um campo magnético constante

A força magnética em uma partícula carregada com carga $$q$$ em movimento com velocidade $$\vec{v}$$ é dada por:

$$\vec{F}_M=q\vec{v}\times\vec{B}$$

se essa é a única força que atua na partícula então essa é a força resultante e assim podemos escrever,

$$\vec{F}_R=\vec{F}_M$$,

$$m\vec{a}=q\vec{v}\times\vec{B}$$,

$$\vec{a}=\frac{d \vec{v}}{dt}=\frac{q}{m}\vec{v}\times\vec{B}$$  (1)

Escolhendo um campo magnético constante na direção $$z$$ temos $$\vec{B}=B_z \hat{k}$$ assim,

$$\vec{v}\times\vec{B}=\hat{i}(v_y B_z)-\hat{j}(v_x B_z)+\hat{k}(0)$$.

podemos escrever a equação (1) por,

$$\frac{dv_x}{dt}=\frac{q}{m}v_y B_z$$ (2)

$$\frac{dv_y}{dt}=-\frac{q}{m}v_x B_z$$ (3)

$$\frac{dv_z}{dt}=0$$ (4)

Da equação (4) vemos que a velocidade é constante logo, $$v_z(t)=v_{z0}$$ e assim, $$z(t)=z_0+v_{z0} t$$.

Derivando as equações (2) e (3) temos,

$$\frac{d^2 v_x}{dt^2}= \frac{q}{m}B_z \frac{dv_y}{dt} =-\frac{q^2 B_z^2}{m^2} v_x$$

$$\frac{d^2 v_y}{dt^2}=-\frac{q}{m}B_z \frac{dv_x}{dt} =-\frac{q^2 B_z^2}{m^2} v_y$$

Essas equações tem a mesma estrutura da equação do oscilador harmônico  assim,

$$ v_x(t)=-A\omega\sin(\omega t +\phi)$$ e $$ x(t)=A\cos(\omega t +\phi)$$

$$ v_y(t)=+A_1\omega\cos(\omega t +\phi_1)$$ e $$ y(t)=A_1\sin(\omega t +\phi_1)$$

onde $$\omega=\frac{qB_z}{m}$$ e as constantes $$A$$, $$A_1$$, $$\phi$$ e $$\phi_1$$ são determinadas

pelas condições iniciais.

Vemos que teremos um movimento circular no plano $$xy$$ e assim o raio da órbita será dada por:

$$R^2 = x^2+y^2 = A^2\cos^2(\omega t +\phi)+A_1^2\sin^2(\omega t +\phi) $$

esta equação mostra que o movimento pode ser uma elipse.

Se $$A=A_1$$ teremos um movimento circular de raio $$R=A$$ e assim a aceleração é centrípeta e podemos escrever que,

$$\frac{v^2}{R}=\frac{q}{m}v B_z$$

$$\frac{v}{R}=\frac{qB_z}{m} $$ e

$$R=\frac{mv}{qB_z} $$ .