Physics · Livro 4 · Bachelor Year 2

Física universitária — 2.º ano

Física universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

12Energia eletromagnética e o vetor de Poynting

Uma pilha acende uma lâmpada por dois fios de cobre. Por onde viaja a energia? Não pelo interior do cobre: os elétrons ali derivam a um milímetro por segundo e quase nada transportam. A energia flui pelo espaço em torno dos fios, no campo eletromagnético, e entra no filamento da lâmpada pelos seus lados. O Sol entrega um quilowatt a cada metro quadrado de um telhado ensolarado do mesmo modo, através de cento e cinquenta milhões de quilômetros de vácuo. Este capítulo deduz das equações de Maxwell o balanço da energia eletromagnética — quanta se armazena num campo e qual o vetor, o de Poynting, que diz para onde ela vai — e o aplica a um fio, a um capacitor, a uma bobina e a um feixe de luz.

12.1 O balanço de energia do campo

Teorema 12.1 (Teorema de Poynting)

Defina a densidade de energia eletromagnética e o vetor de Poynting

u=ε0E22+B22μ0(J/m3),Π→=E→∧B→μ0(W/m2).u = \frac{\varepsilon_0E^2}2 + \frac{B^2}{2\mu_0} \quad (\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}) , \qquad \vect\Pi = \frac{\vect E\wedge\vect B}{\mu_0} \quad (\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}) .

As equações de Maxwell implicam, em cada ponto,

∂u∂t+div⁡Π→=−j→⋅E→,\frac{\partial u}{\partial t} + \operatorname{div}\vect\Pi = -\vect j\cdot\vect E ,

e, para todo volume fixo VV limitado por Σ\Sigma,

 ⁣d ⁣dt∭Vu  ⁣dτ=−∬ΣΠ→⋅n→  ⁣dS−∭Vj→⋅E→  ⁣dτ:\frac{\dd}{\dd t}\iiint_Vu\,\dd\tau = -\iint_\Sigma\vect\Pi\cdot\vect n\,\dd S - \iiint_V\vect j\cdot\vect E\,\dd\tau :

a energia do campo dentro de VV diminui do que sai pela fronteira — o fluxo de Π→\vect\Pi — e do que o campo entrega às cargas (j→⋅E→\vect j\cdot\vect E, a potência Joule num condutor). Π→\vect\Pi é a densidade de fluxo de energia: a potência que atravessa uma superfície unitária normal a ele.

Demonstração. De Maxwell–Ampère, j→=curl→⁡B→/μ0−ε0∂tE→\vect j = \operatorname{\vect{curl}}\vect B/\mu_0 - \varepsilon_0\partial_t \vect E, de modo que j→⋅E→=E→⋅curl→⁡B→/μ0−∂t(ε0E2/2)\vect j\cdot\vect E = \vect E\cdot\operatorname{\vect{curl}}\vect B/\mu_0 - \partial_t(\varepsilon_0E^2/2). A identidade div⁡(E→∧B→)=B→⋅curl→⁡E→−E→⋅curl→⁡B→\operatorname{div}(\vect E\wedge\vect B) = \vect B \cdot\operatorname{\vect{curl}}\vect E - \vect E\cdot\operatorname{\vect{curl}}\vect B (verifique-a nas componentes) e Maxwell–Faraday dão E→⋅curl→⁡B→=−div⁡(E→∧B→)−B→⋅∂tB→=−μ0div⁡Π→−∂t(B2/2)\vect E\cdot\operatorname{\vect{curl}} \vect B = -\operatorname{div}(\vect E\wedge\vect B) - \vect B\cdot\partial_t\vect B = -\mu_0 \operatorname{div}\vect\Pi - \partial_t(B^2/2). Reunindo: j→⋅E→=−div⁡Π→−∂tu\vect j\cdot\vect E = -\operatorname{div} \vect\Pi - \partial_tu. Integre em VV e aplique o teorema do divergente. ∎

Observação 12.2 (O que fica fixado e o que não)

O teorema fixa apenas o fluxo de Π→\vect\Pi por superfícies fechadas e o uu total; acrescentar a Π→\vect\Pi qualquer campo de divergente nulo não mudaria nada observável. A escolha acima é a mais simples, é a que concorda com a quantidade de movimento transportada pela luz (adiante) e é usada universalmente. As densidades ε0E2/2\varepsilon_0E^2/2 e B2/2μ0B^2/2\mu_0 são as energias do capacitor e do indutor do volume do Ano 1, agora atribuídas a cada ponto do espaço: um campo de 1 MV/m1\,\mathrm{MV}/\mathrm{m} (o limite de ruptura do ar) armazena 4.4 J/m34.4\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}, e um campo de 1 T1\,\mathrm{T} armazena 0.4 MJ/m30.4\,\mathrm{MJ}/\mathrm{m}^{3} — cem mil vezes mais, e é por isso que o armazenamento de energia em ímãs, e não em capacitores, chega ao megajoule.

12.2 Por onde flui a energia: três circuitos

Exemplo 12.3 (O fio resistivo)

Um fio cilíndrico de raio aa conduz a corrente constante II sob o campo E=j/γE = j/\gamma segundo seu eixo; logo do lado de fora, B=μ0I/2πaB = \mu_0I/2\pi a (azimutal). Na superfície, Π→=E→∧B→/μ0\vect\Pi = \vect E\wedge\vect B/\mu_0 aponta radialmente para dentro, com intensidade EI/2πaEI/2\pi a; seu fluxo pela superfície lateral de um comprimento LL vale EI/2πa×2πaL=(EL)I=UI=RI2EI/2\pi a\times2\pi aL = (EL)I = UI = RI^2: o calor Joule entra no fio pelos seus lados, entregue pelo campo circundante, e não é levado ao longo do fio pelos elétrons. No interior, Π(r)=(E/μ0)(μ0Ir/2πa2)=EIr/2πa2\Pi(r) = (E/\mu_0)(\mu_0Ir/2\pi a^2) = EIr/2\pi a^2: o fluxo que entra decresce rumo ao eixo, à medida que a energia é depositada camada a camada.

Exemplo 12.4 (O capacitor e o solenoide)

Um capacitor de placas circulares sendo carregado: E→\vect E axial, B→=μ0ε0(r/2)E˙ e→θ\vect B = \mu_0\varepsilon_0(r/2)\dot E\,\vect e_\theta (Capítulo 11), de modo que Π→=−ε0(r/2)EE˙ e→r\vect\Pi = -\varepsilon_0(r/2)E\dot E\,\vect e_r, para dentro; pelo cilindro de raio RR e altura dd seu fluxo vale ε0πR2d EE˙= ⁣d(12ε0E2 πR2d)/ ⁣dt\varepsilon_0\pi R^2d\,E\dot E = \dd(\tfrac12 \varepsilon_0E^2\,\pi R^2d)/\dd t: a energia elétrica entra pela borda. Um solenoide cuja corrente cresce: B→\vect B axial, o campo induzido E→=−(r/2)B˙ e→θ\vect E = -(r/2) \dot B\,\vect e_\theta, Π→=−(rBB˙/2μ0)e→r\vect\Pi = -(rB\dot B/2\mu_0)\vect e_r, de novo para dentro, com fluxo  ⁣d(B2/2μ0×volume)/ ⁣dt\dd(B^2/2\mu_0\times\text{volume})/\dd t. Em todos os casos a energia chega ao dispositivo pelo campo do lado de fora; os fios apenas guiam o campo.

À esquerda: um fio percorrido por corrente — o vetor de Poynting, construído com o E axial e o B azimutal, aponta para dentro do fio em toda a sua superfície; o calor Joule entra pelos lados. À direita: um capacitor sendo carregado — a energia entra radialmente pelo vão, e não pelas placas.
À esquerda: um fio percorrido por corrente — o vetor de Poynting, construído com o E→\vect E axial e o B→\vect B azimutal, aponta para dentro do fio em toda a sua superfície; o calor Joule entra pelos lados. À direita: um capacitor sendo carregado — a energia entra radialmente pelo vão, e não pelas placas.

Observação 12.5 (Energia num campo cruzado estático)

Um capacitor carregado colocado no campo de um ímã permanente tem Π→=E→∧B→/μ0≠0→\vect\Pi = \vect E\wedge\vect B/\mu_0 \ne \vect 0 em toda parte entre suas placas, embora nada mude e nada aqueça. Não há contradição: ali Π→\vect\Pi tem divergente nulo, suas linhas se fecham sobre si mesmas e seu fluxo por qualquer superfície fechada se anula — o teorema nada diz sobre um fluxo circulante que não entrega nada. Só os fluxos por superfícies fechadas são físicos.

Um cabo coaxial que transporta potência: um E radial e um B azimutal fazem um vetor de Poynting axial no dielétrico; seu fluxo pela coroa entre os condutores vale exatamente UI — a potência viaja no isolante, e o metal apenas a guia.
Um cabo coaxial que transporta potência: um E→\vect E radial e um B→\vect B azimutal fazem um vetor de Poynting axial no dielétrico; seu fluxo pela coroa entre os condutores vale exatamente UIUI — a potência viaja no isolante, e o metal apenas a guia.

12.3 A luz: intensidade e pressão de radiação

Proposição 12.6 (Energia de uma onda plana)

Para uma onda plana no vácuo — a solução do Capítulo 13, com B→=k→∧E→/ω\vect B = \vect k\wedge\vect E/\omega, B=E/cB = E/c e E→⊥B→\vect E \perp \vect B — as densidades de energia elétrica e magnética são iguais e

u=ε0E2,Π→=ε0cE2 u→=cu u→,u = \varepsilon_0E^2 , \qquad \vect\Pi = \varepsilon_0cE^2\,\vect u = cu\,\vect u ,

sendo u→\vect u a direção de propagação: a energia viaja a cc. Para uma onda senoidal de amplitude E0E_0 a intensidade (irradiância) é o fluxo médio,

I=⟨Π⟩=ε0cE022=E022μ0c,I = \langle\Pi\rangle = \frac{\varepsilon_0cE_0^2}2 = \frac{E_0^2}{2\mu_0c} ,

e a onda transporta uma densidade de quantidade de movimento Π→/c2\vect\Pi/c^2 (admitido), de modo que ela exerce, sobre uma superfície que atinge sob incidência normal, a pressão de radiação P=I/cP = I/c se for absorvida e 2I/c2I/c se for refletida.

Demonstração. B2/2μ0=E2/2μ0c2=ε0E2/2B^2/2\mu_0 = E^2/2\mu_0c^2 = \varepsilon_0E^2/2; E→∧B→/μ0=E2/μ0c=ε0cE2\vect E\wedge\vect B/\mu_0 = E^2/\mu_0c = \varepsilon_0cE^2 segundo k→\vect k; ⟨cos⁡2⟩=12\langle\cos^2\rangle = \tfrac12. A densidade de quantidade de movimento Π→/c2\vect\Pi/c^2 segue da força de Lorentz sobre as cargas da superfície absorvedora (ou da relatividade: p=E/cp = E/c para a luz): a quantidade de movimento ΠS  ⁣dt/c2×c\Pi S\,\dd t/c^2\times c que chega por unidade de tempo a uma superfície SS é uma força ΠS/c\Pi S/c. ∎

Exemplo 12.7 (Luz do Sol, laser, micro-ondas)

A luz do Sol no topo da atmosfera, I=1.36 kW/m2I = 1.36\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}: E0=2I/ε0c=1.0 kV/mE_0 = \sqrt{2I/\varepsilon_0c} = 1.0\,\mathrm{kV}/\mathrm{m}, B0=E0/c=3.4 µTB_0 = E_0/c = 3.4\,\text{µ}\mathrm{T}, densidade de energia 4.5 µJ/m34.5\,\text{µ}\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}, pressão 4.5 µPa4.5\,\text{µ}\mathrm{Pa} — 0.7 kg0.7\,\mathrm{kg} de força sobre um quilômetro quadrado, e ainda assim o bastante para guiar uma vela solar e para soprar a poeira de um cometa até formar sua cauda. Um ponteiro laser de 1 mW1\,\mathrm{mW} numa mancha de 1 mm21\,\mathrm{mm}^{2}: 1 kW/m21\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}, como o Sol; focalizado em 1 µm21\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}: 1 GW/m21\,\mathrm{GW}/\mathrm{m}^{2}, E0=0.9 MV/mE_0 = 0.9\,\mathrm{MV}/\mathrm{m}, perto da ruptura do ar. Um forno de micro-ondas de 1 kW1\,\mathrm{kW} com uma onda estacionária preenchendo 30 L30\,\mathrm{L}: densidade de energia ∼10−7\sim 10^{-7} J/m3^3 e E0E_0 de alguns quilovolts por metro.

Uma onda eletromagnética plana: E, B e a direção de propagação formam um triedro direto; o vetor de Poynting aponta no sentido da propagação e oscila ao dobro da frequência, com valor médio igual à intensidade.
Uma onda eletromagnética plana: E→\vect E, B→\vect B e a direção de propagação formam um triedro direto; o vetor de Poynting aponta no sentido da propagação e oscila ao dobro da frequência, com valor médio igual à intensidade.

Método 12.8 (Fazer a contabilidade da energia)

(1) Ache E→\vect E e B→\vect B (estática, quase estática ou ondas). (2) Forme Π→=E→∧B→/μ0\vect\Pi = \vect E\wedge\vect B/\mu_0 e uu. (3) Escolha uma superfície fechada em torno do dispositivo e calcule o fluxo de Π→\vect\Pi: ele deve ser igual à potência Joule mais a taxa de variação da energia armazenada no interior — uma verificação dos campos. (4) Para uma onda, a média de Π\Pi é a intensidade; divida por cc para a pressão, e pela energia do fóton hfhf para o fluxo de fótons.

12.4 Exercícios

Exercício 12.1 ★

Luz do Sol no solo, I=1.0 kW/m2I = 1.0\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}: amplitudes E0E_0 e B0B_0, densidade de energia, pressão de radiação sobre um telhado preto e sobre um espelho; força sobre um telhado de 100 m2100\,\mathrm{m}^{2}; fluxo de fótons por metro quadrado para uma energia média de fóton de 2 eV2\,\mathrm{eV}.

Solução

Solução de Exercício 12.1.

E0=2I/ε0c=870 V/mE_0 = \sqrt{2I/\varepsilon_0c} = 870\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, B0=E0/c=2.9 µTB_0 = E_0/c = 2.9\,\text{µ}\mathrm{T}; u=I/c=3.3 µJ/m3u = I/c = 3.3\,\text{µ}\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}; P=I/c=3.3 µPaP = I/c = 3.3\,\text{µ}\mathrm{Pa} (telhado preto), 6.7 µPa6.7\,\text{µ}\mathrm{Pa} (espelho); 0.33 mN0.33\,\mathrm{mN} no telhado; I/hf=1000/3.2×10−19=3×1021 m−2 s−1I/hf = 1000/3.2 \times 10^{-19} = 3 \times 10^{21}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}.

Exercício 12.2 ★

Um ponteiro laser de 5 mW5\,\mathrm{mW}, com feixe de 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} de diâmetro: intensidade, E0E_0, B0B_0; o mesmo feixe focalizado numa mancha de 5 µm5\,\text{µ}\mathrm{m}; um laser pulsado de 1 PW1\,\mathrm{PW} (1×1015 W1 \times 10^{15}\,\mathrm{W}) focalizado em 10 µm210\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}: E0E_0, comparado com o campo que liga o elétron num átomo de hidrogênio (5×1011 V/m5 \times 10^{11}\,\mathrm{V}/\mathrm{m}).

Solução

Solução de Exercício 12.2.

Área 1.8 mm21.8\,\mathrm{mm}^{2}: I=2.8 kW/m2I = 2.8\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}, E0=1.5 kV/mE_0 = 1.5\,\mathrm{kV}/\mathrm{m}, B0=4.9 µTB_0 = 4.9\,\text{µ}\mathrm{T}. Focalizado em 5 µm5\,\text{µ}\mathrm{m}: I=2.5×108 W/m2I = 2.5 \times 10^{8}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, E0=4.4×105 V/mE_0 = 4.4 \times 10^{5}\,\mathrm{V}/\mathrm{m}. Petawatt: I=1×1026 W/m2I = 1 \times 10^{26}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, E0=2.7×1014 V/mE_0 = 2.7 \times 10^{14}\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, quinhentas vezes o campo atômico — o átomo é despedaçado em um ciclo.

Exercício 12.3 ★

Densidades de energia: um campo elétrico de 3 MV/m3\,\mathrm{MV}/\mathrm{m} (ruptura do ar); de 100 MV/m100\,\mathrm{MV}/\mathrm{m} (um isolante fino); um campo magnético de 0.1 T0.1\,\mathrm{T}, 1.5 T1.5\,\mathrm{T} (ressonância magnética), 45 T45\,\mathrm{T} (ímã recordista). Energia em 1 m31\,\mathrm{m}^{3} do túnel de uma máquina de ressonância; o equivalente em litros de gasolina (35 MJ/L35\,\mathrm{MJ}/\mathrm{L}).

Solução

Solução de Exercício 12.3.

12ε0E2\tfrac12\varepsilon_0E^2: 40 J/m340\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}, 4.4×104 J/m34.4 \times 10^{4}\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}. B2/2μ0B^2/2\mu_0: 4 kJ/m34\,\mathrm{kJ}/\mathrm{m}^{3}, 0.9 MJ/m30.9\,\mathrm{MJ}/\mathrm{m}^{3}, 8×108 J/m38 \times 10^{8}\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}. O túnel da máquina de ressonância guarda 0.9 MJ0.9\,\mathrm{MJ} — 26 mL26\,\mathrm{mL} de gasolina.

Exercício 12.4 ★

Uma vela solar de 100 m100\,\mathrm{m} ×\times 100 m100\,\mathrm{m}, perfeitamente refletora, à distância da Terra (I=1.36 kW/m2I = 1.36\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}): força; aceleração de uma sonda de 200 kg200\,\mathrm{kg}; celeridade ganha em um mês; compare com a gravidade do Sol sobre a sonda a essa distância (5.9×10−3 N/kg5.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}).

Solução

Solução de Exercício 12.4.

F=2IA/c=0.09 NF = 2IA/c = 0.09\,\mathrm{N}; a=4.5×10−4 m/s2a = 4.5 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}; 1.2 km/s1.2\,\mathrm{km}/\mathrm{s} em um mês; o Sol puxa com 1.2 N1.2\,\mathrm{N}: a vela não pode vencer a gravidade, mas bordeja contra ela em órbita.

Exercício 12.5 ★★

Um fio de cobre de raio a=1 mma = 1\,\mathrm{mm} conduz 10 A10\,\mathrm{A} (γ=6×107 S/m\gamma = 6 \times 10^{7}\,\mathrm{S}/\mathrm{m}). (a) EE no interior, BB na superfície, Π→\vect\Pi na superfície (direção e intensidade). (b) Fluxo de Π→\vect\Pi para dentro de 1 m1\,\mathrm{m} de fio; compare com RI2RI^2. (c) Π(r)\Pi(r) dentro do fio e a potência depositada entre rr e r+ ⁣drr + \dd r; verifique que vale j2/γ⋅2πr  ⁣drj^2/\gamma\cdot2\pi r\,\dd r. (d) De onde vem a energia — descreva o campo entre a pilha e o fio.

Solução

Solução de Exercício 12.5.

(a) j=3.2×106 A/m2j = 3.2 \times 10^{6}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}, E=j/γ=0.053 V/mE = j/\gamma = 0.053\,\mathrm{V}/\mathrm{m}; B=μ0I/2πa=2 mTB = \mu_0I/2\pi a = 2\,\mathrm{mT}; Π=EB/μ0=84 W/m2\Pi = EB/\mu_0 = 84\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, radialmente para dentro. (b) 84×2πa=0.53 W84 \times 2\pi a = 0.53\,\mathrm{W} por metro; R=1/γπa2=5.3 mΩ/mR = 1/\gamma\pi a^2 = 5.3\,\mathrm{m}\Omega/\mathrm{m}, RI2=0.53 WRI^2 = 0.53\,\mathrm{W}. (c) Π(r)=EIr/2πa2\Pi(r) = EIr/2\pi a^2, de modo que 2πrΠ=EIr2/a22\pi r\Pi = EIr^2/a^2 e a casca recebe  ⁣d(2πrΠ)=2EIr  ⁣dr/a2=(j2/γ)2πr  ⁣dr\dd(2\pi r\Pi) = 2EIr\,\dd r/a^2 = (j^2/\gamma)2\pi r\,\dd r. (d) As cargas superficiais da pilha estabelecem um campo elétrico ao longo de todo o circuito, fora dos fios; o E→∧B→\vect E\wedge\vect B ali leva a energia da pilha até a carga.

Exercício 12.6 ★★

Capacitor de placas circulares (RR, dd) carregado por II. (a) E→\vect E, B→\vect B, Π→\vect\Pi entre as placas. (b) Fluxo de Π→\vect\Pi pelo cilindro lateral; mostre que ele vale  ⁣dWe/ ⁣dt\dd W_e/\dd t. (c) Para R=5 cmR = 5\,\mathrm{cm}, d=1 mmd = 1\,\mathrm{mm}, I=1 AI = 1\,\mathrm{A} no instante em que E=1 MV/mE = 1\,\mathrm{MV}/\mathrm{m}: Π\Pi na borda e a potência que entra. (d) A energia magnética é desprezível?

Solução

Solução de Exercício 12.6.

(a) E=Q/ε0πR2E = Q/\varepsilon_0\pi R^2 axial, B=μ0Ir/2πR2B = \mu_0Ir/2\pi R^2 azimutal, Π→=−ε0(r/2)EE˙ e→r\vect\Pi = -\varepsilon_0 (r/2)E\dot E\,\vect e_r. (b) ε0(R/2)EE˙⋅2πRd= ⁣d(12ε0E2πR2d)/ ⁣dt\varepsilon_0(R/2)E\dot E\cdot2\pi Rd = \dd(\tfrac12\varepsilon_0E^2\pi R^2d)/ \dd t. (c) E˙=I/ε0πR2=1.4×1013 V m−1 s−1\dot E = I/\varepsilon_0\pi R^2 = 1.4 \times 10^{13}\,\mathrm{V}\,\mathrm{m}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}; Π(R)=3.2×106 W/m2\Pi(R) = 3.2 \times 10^{6}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}; vezes 2πRd=3.1×10−4 m22\pi Rd = 3.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}^{2}: 1.0 kW1.0\,\mathrm{kW} =UI= UI com U=Ed=1 kVU = Ed = 1\,\mathrm{kV}. (d) Sim: menor por fatores do tipo (ωR/c)2(\omega R/c)^2 (Capítulo 11).

Exercício 12.7 ★★

Um solenoide longo (nn, raio RR) cuja corrente I(t)I(t) cresce. (a) E→\vect E induzido no interior; Π→\vect\Pi; direção. (b) Fluxo pela superfície lateral por unidade de comprimento e  ⁣d(B2/2μ0⋅πR2)/ ⁣dt\dd(B^2/2\mu_0\cdot\pi R^2)/\dd t. (c) Logo fora do solenoide (onde B→=0→\vect B = \vect 0), quanto vale Π→\vect\Pi? Como, então, a energia entra? (Pense em onde a corrente circula: o enrolamento é uma lâmina fina; tome a superfície logo por dentro dele.)

Solução

Solução de Exercício 12.7.

(a) E→=−(r/2)B˙ e→θ\vect E = -(r/2)\dot B\,\vect e_\theta, Π→=−(rBB˙/2μ0)e→r\vect\Pi = -(rB\dot B/2\mu_0)\vect e_r: para dentro enquanto BB cresce. (b) (RBB˙/2μ0)2πR= ⁣d(πR2B2/2μ0)/ ⁣dt(RB\dot B/2\mu_0)2\pi R = \dd(\pi R^2B^2/2\mu_0)/\dd t. (c) Fora, B→=0→\vect B = \vect 0, logo Π→=0→\vect\Pi = \vect 0: a energia é injetada no próprio enrolamento, onde o gerador força a corrente contra o campo induzido (ali j→⋅E→<0\vect j\cdot\vect E < 0); logo por dentro da lâmina Π→\vect\Pi já é o fluxo para dentro de (a).

Exercício 12.8 ★★

Por onde viaja a potência de um cabo. Um cabo coaxial (raios aa, bb) conduz uma corrente constante II no núcleo e de volta na malha, sob a tensão UU entre eles (condutores perfeitos). (a) E→\vect E e B→\vect B no dielétrico (a<r<ba < r < b), por Gauss e por Ampère. (b) Π→\vect\Pi: direção e intensidade. (c) Integre Π→\vect\Pi sobre a coroa a<r<ba < r < b: mostre que o resultado é UIUI — toda a potência viaja no isolante. (d) Com um núcleo ligeiramente resistivo, em que direção Π→\vect\Pi se inclina, e a quanto equivale seu fluxo para dentro do núcleo?

Solução

Solução de Exercício 12.8.

(a) E=U/rln⁡(b/a)E = U/r\ln(b/a) radial, B=μ0I/2πrB = \mu_0I/2\pi r azimutal. (b) Π→=(UI/2πr2ln⁡(b/a))e→z\vect\Pi = (UI/ 2\pi r^2\ln(b/a))\vect e_z, no sentido da corrente do núcleo. (c) ∫abΠ 2πr  ⁣dr=UI\int_a^b\Pi\,2\pi r\,\dd r = UI. (d) EE ganha uma componente axial j/γj/\gamma; Π→\vect\Pi inclina-se rumo ao núcleo, e seu fluxo radial para dentro de um metro de núcleo vale RI2RI^2 por metro.

Exercício 12.9 ★★

Poeira de cometa. Um grão esférico de poeira de raio aa e massa específica ρ=2000 kg/m3\rho = 2000\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3} à distância DD do Sol absorve a luz solar (I=1.36 kW/m2I = 1.36\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2} em D0=1.5×1011 mD_0 = 1.5 \times 10^{11}\,\mathrm{m}, massa do Sol 2.0×1030 kg2.0 \times 10^{30}\,\mathrm{kg}). (a) Força de radiação e força gravitacional; mostre que a razão entre elas não depende de DD. (b) Raio abaixo do qual o grão é soprado para longe. (c) Por que as caudas dos cometas apontam para longe do Sol, e por que elas se encurvam?

Solução

Solução de Exercício 12.9.

(a) Frad=I0(D0/D)2πa2/cF_{\text{rad}} = I_0(D_0/D)^2\pi a^2/c, Fg=GM⋅43πa3ρ/D2F_g = GM\cdot\tfrac43\pi a^3\rho/D^2: razão 3I0D02/4cGMρa3I_0D_0^2/4cGM\rho a, independente de DD. (b) Razão >1> 1 para a<3I0D02/4cGMρ=0.3 µma < 3I_0D_0^2/ 4cGM\rho = 0.3\,\text{µ}\mathrm{m}. (c) A poeira fina é empurrada para longe do Sol, mas guarda a celeridade orbital do cometa, de modo que a cauda de poeira aponta para longe e se encurva; a cauda de íons, impelida pelo vento solar, é reta.

Exercício 12.10 ★★★

Um capacitor que se descarrega. O capacitor do Exercício 12.6 descarrega-se pelo fio do Exercício 12.5 (R=5.3 mΩR = 5.3\,\mathrm{m}\Omega por metro, comprimento LL). (a) Direção de Π→\vect\Pi na borda do capacitor agora. (b) Potência que sai do capacitor e potência que entra no fio; o que acontece com a diferença (se houver)? (c) Escreva o balanço de energia  ⁣dWe/ ⁣dt=−RI2\dd W_e/\dd t = -RI^2 e confira-o com Q=CUQ = CU, I=− ⁣dQ/ ⁣dtI = -\dd Q/\dd t. (d) Por que a energia magnética do circuito não aparece no balanço no começo e no fim?

Solução

Solução de Exercício 12.10.

(a) E˙<0\dot E < 0: Π→\vect\Pi aponta para fora na borda. (b) − ⁣dWe/ ⁣dt-\dd W_e/\dd t sai do capacitor e RI2RI^2 entra no fio; no regime quase estático os dois são iguais — nada se acumula no meio. (c) We=Q2/2CW_e = Q^2/2C,  ⁣dWe/ ⁣dt=(Q/C) ⁣dQ/ ⁣dt=−UI=−RI2\dd W_e/\dd t = (Q/C)\dd Q/\dd t = -UI = -RI^2. (d) 12LI2\tfrac12LI^2 anula-se nas duas pontas (I=0I = 0) e é desprezível no meio, para uma espira pequena.

Exercício 12.11 ★★★

O ímã carregado. Entre as placas de um capacitor carregado (E→=Ee→z\vect E = E\vect e_z) há um campo uniforme B→=Be→x\vect B = B\vect e_x (um ímã). (a) Π→\vect\Pi; seu divergente. (b) Tome a superfície fechada de uma caixa dentro da região: fluxo de Π→\vect\Pi. (c) Para onde vão as linhas de Π→\vect\Pi, e o que as fecha? (d) Uma proposta: medir o fluxo de energia com um pequeno absorvedor colocado no vão — ele aqueceria? Por que não?

Solução

Solução de Exercício 12.11.

(a) Π→=(EB/μ0)e→y\vect\Pi = (EB/\mu_0)\vect e_y, uniforme: div⁡Π→=0\operatorname{div}\vect\Pi = 0. (b) Nulo. (c) Segundo yy pelo vão, fechando-se pelos campos de borda nas extremidades das placas e do ímã. (d) Um corpo em repouso em campos estáticos não conduz corrente: j→⋅E→=0\vect j\cdot\vect E = 0, e não há aquecimento. O Π→\vect\Pi circulante é contabilidade, não um fluxo que deposita energia.

Exercício 12.12 ★★★

Onda estacionária. Duas ondas planas contrapropagantes de mesma amplitude formam E→=2E0cos⁡kxcos⁡ωt e→y\vect E = 2E_0\cos kx\cos\omega t\,\vect e_y, B→=−2(E0/c)sin⁡kxsin⁡ωt e→z\vect B = -2(E_0/c) \sin kx\sin\omega t\,\vect e_z (confira com Maxwell–Faraday). (a) Π→(x,t)\vect\Pi(x, t); sua média temporal. (b) Densidade de energia; onde ela é elétrica, onde é magnética, e como ela vai e volta? (c) Um espelho perfeitamente condutor em x=0x = 0 reflete a onda incidente: força por unidade de área sobre ele pelo argumento da quantidade de movimento, e pela força de Laplace sobre sua corrente superficial (use a relação de passagem para B→\vect B). (d) Mostre que as duas dão 2I/c2I/c em média.

Solução

Solução de Exercício 12.12.

Faraday: ∂xEy=−2E0ksin⁡kxcos⁡ωt\partial_xE_y = -2E_0k\sin kx\cos\omega t é igual a −∂tBz-\partial_tB_z, pois ω=kc\omega = kc. (a) Π→=(EyBz/μ0)e→x=−(E02/μ0c)sin⁡2kxsin⁡2ωt e→x\vect\Pi = (E_yB_z/\mu_0)\vect e_x = -(E_0^2/\mu_0c)\sin2kx\sin2\omega t\,\vect e_x: média nula. (b) u=2ε0E02(cos⁡2kxcos⁡2ωt+sin⁡2kxsin⁡2ωt)u = 2\varepsilon_0E_0^2(\cos^2kx\cos^2\omega t + \sin^2kx\sin^2\omega t): elétrica em x=0,λ/2,…x = 0, \lambda/2, \dots, magnética em λ/4,…\lambda/4, \dots, indo e vindo entre elas duas vezes por período. (c) Quantidade de movimento: cada onda tem I=ε0cE02/2I = \varepsilon_0cE_0^2/2, e a refletida inverte a sua: 2I/c=ε0E022I/c = \varepsilon_0E_0^2. Laplace: em x=0x = 0, B=(2E0/c)sin⁡ωtB = (2E_0/c)\sin\omega t logo do lado de fora e 00 dentro, de modo que js=B/μ0j_s = B/\mu_0; a força por unidade de área sobre a lâmina vale 12jsB=B2/2μ0=2ε0E02sin⁡2ωt\tfrac12j_sB = B^2/2\mu_0 = 2\varepsilon_0E_0^2\sin^2 \omega t. (d) Sua média vale ε0E02=2I/c\varepsilon_0E_0^2 = 2I/c.

Uma usina solar: um quilowatt por metro quadrado de fluxo de Poynting chega do Sol através do espaço vazio, e um quinto dele sai pelos cabos.
Uma usina solar: um quilowatt por metro quadrado de fluxo de Poynting chega do Sol através do espaço vazio, e um quinto dele sai pelos cabos.

12.5 Problema: A energia de uma linha, de um painel e de um forno

Problema 12.1

Problema de fim de semana — seguindo a energia eletromagnética de uma linha de transmissão até uma casa, do Sol até um painel solar e de um magnetron até uma xícara de água

Parte I — A linha. Um cabo coaxial de potência (raio do núcleo a=1.0 cma = 1.0\,\mathrm{cm}, raio da malha b=3.0 cmb = 3.0\,\mathrm{cm}, dielétrico com εr=2.3\varepsilon_r = 2.3) conduz uma corrente contínua I=500 AI = 500\,\mathrm{A} sob U=20 kVU = 20\,\mathrm{kV}; o núcleo tem condutividade γ=6×107 S/m\gamma = 6 \times 10^{7}\,\mathrm{S}/\mathrm{m}.

  1. Campos E→(r)\vect E(r) e B→(r)\vect B(r) no dielétrico (com condutores perfeitos, primeiro); valores em r=ar = a.
  2. Vetor de Poynting no dielétrico; seu fluxo pela seção anular: verifique que é igual a UIUI.
  3. Densidades de energia ε0εrE2/2\varepsilon_0\varepsilon_rE^2/2 e B2/2μ0B^2/2\mu_0 em r=ar = a (num dielétrico a densidade de energia elétrica leva εr\varepsilon_r); qual domina, e por quanto?
  4. A que fração da velocidade da luz a energia "se move" (tome Π/u\Pi/u em r=ar = a)? Compare com c/εrc/\sqrt{\varepsilon_r}.
  5. Agora o núcleo é resistivo: campo EzE_z no seu interior; o vetor de Poynting logo fora de sua superfície ganha uma componente radial: intensidade, e a potência por metro que ele entrega ao núcleo; confira contra RI2RI^2 por metro.
  6. Razão entre as componentes radial e axial de Π→\vect\Pi em r=ar = a: o que ela diz sobre para onde vai a energia?
  7. Energia magnética por metro de cabo, ∫B2/2μ0  ⁣dτ\int B^2/2\mu_0\,\dd\tau, e energia elétrica por metro, ∫ε0εrE2/2  ⁣dτ\int\varepsilon_0\varepsilon_rE^2/2\,\dd\tau; recupere-as como 12ΛI2\tfrac12\Lambda I^2 e 12ΓU2\tfrac12\Gamma U^2 com a indutância e a capacitância por metro do Capítulo 8.
  8. Uma linha de 10 km10\,\mathrm{km}: potência entregue, potência perdida, fração. Refaça com U=200 kVU = 200\,\mathrm{kV} e I=50 AI = 50\,\mathrm{A} (mesma potência).

Parte II — O painel. Luz do Sol ao meio-dia num dia claro: I=1.0 kW/m2I = 1.0\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}; um painel fotovoltaico de 1.6 m21.6\,\mathrm{m}^{2} e 20%20\% de rendimento; energia de fóton de 2.0 eV2.0\,\mathrm{eV} em média.

  1. E0E_0, B0B_0, densidade de energia e fluxo de fótons no feixe.
  2. Potência elétrica entregue; calor a evacuar; elevação de temperatura se o painel perder calor pelas duas faces com h=10 W/(m2 K)h = 10\,\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{K}).
  3. Pressão de radiação sobre o painel (absorvedor); força; compare com seu peso (18 kg18\,\mathrm{kg}).
  4. Energia recebida por dia (6 h6\,\mathrm{h} de sol pleno equivalente) e por ano; a área necessária para suprir os 3500 kWh/ano3500\,\mathrm{kWh}/\mathrm{ano} de uma residência.
  5. O painel produz 30 V30\,\mathrm{V} a 10.7 A10.7\,\mathrm{A}: confira a potência; fluxo de Poynting ao longo dos 5 m5\,\mathrm{m} de cabo de dois fios até o inversor — por onde, na imagem dos campos, essa potência viaja?
  6. Na órbita da Terra o Sol irradia 1.36 kW/m21.36\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2}: potência total do Sol; a massa que ele converte por segundo (E=mc2E = mc^2, c=3×108 m/sc = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}).
  7. Número de fótons que atingem o painel por segundo.
  8. Fluxo de quantidade de movimento dos fótons na Terra: força de radiação total do Sol sobre a Terra (disco de raio 6400 km6400\,\mathrm{km}, absorvedor); compare com a gravidade (3.5×1022 N3.5 \times 10^{22}\,\mathrm{N}).

Parte III — O forno. Um forno de micro-ondas entrega 800 W800\,\mathrm{W} a 2.45 GHz2.45\,\mathrm{GHz} numa cavidade de 30 L30\,\mathrm{L}; uma xícara com 250 g250\,\mathrm{g} de água absorve 80%80\% disso.

  1. Comprimento de onda; a cavidade é grande em comparação com ele? Por que as paredes são de metal?
  2. Tempo para aquecer a água de 20∘C20{}^{\circ}\mathrm{C} a 80∘C80{}^{\circ}\mathrm{C} (c=4.18 kJ/(kg K)c = 4.18\,\mathrm{kJ}/(\mathrm{kg}\,\mathrm{K})); potência absorvida por unidade de volume.
  3. Se a potência fluísse como uma onda plana pela seção de 50 cm250\,\mathrm{cm}^{2} da xícara, intensidade e E0E_0; os campos reais são ondas estacionárias de amplitude comparável — a que distância ficam os pontos quentes, e por que o prato gira?
  4. Energia armazenada no campo da cavidade se seu fator de qualidade for Q=2π×(energia armazenada)/(energia perdida por perıˊodo)≈103Q = 2\pi\times\text{(energia armazenada)}/\text{(energia perdida por período)} \approx 10^3 quando vazia: energia armazenada, densidade média de energia, E0E_0 — compare com a ruptura do ar (3 MV/m3\,\mathrm{MV}/\mathrm{m}).
  5. A água absorve porque suas moléculas são dipolos excitados a 2.45 GHz2.45\,\mathrm{GHz}: a potência local, análoga à de Joule, vale 12ωε0ε′′E02\tfrac12\omega\varepsilon_0 \varepsilon''E_0^2 com ε′′≈10\varepsilon'' \approx 10 para a água: o E0E_0 na água necessário para a densidade de potência da questão 16; é coerente?
  6. Energia do fóton a 2.45 GHz2.45\,\mathrm{GHz} em eV, e o número de fótons absorvidos por segundo pela xícara; por que as micro-ondas podem aquecer, mas não ionizar (a ionização exige uns 10 eV10\,\mathrm{eV}).
  7. Pressão de radiação do campo da cavidade sobre as paredes (da ordem da densidade de energia uu): vale a pena se preocupar?
  8. Por que um forno vazio (sem carga) corre risco de dano, em termos de Poynting?
  9. Reúna numa tabela, para a linha, o painel e o forno: o portador da energia, a direção de Π→\vect\Pi, a potência e o que a converte.
Solução

Solução de Problema 12.1.

1. E=U/rln⁡(b/a)E = U/r\ln(b/a): 1.8 MV/m1.8\,\mathrm{MV}/\mathrm{m} em r=ar = a; B=μ0I/2πrB = \mu_0I/2\pi r: 10 mT10\,\mathrm{mT} em aa.

2. Π→=(UI/2πr2ln⁡(b/a))e→z\vect\Pi = (UI/2\pi r^2\ln(b/a))\vect e_z; ∫abΠ 2πr  ⁣dr=UI=10 MW\int_a^b\Pi\,2\pi r\,\dd r = UI = 10\,\mathrm{MW}.

3. 12ε0εrE2=34 J/m3\tfrac12\varepsilon_0\varepsilon_rE^2 = 34\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}, B2/2μ0=40 J/m3B^2/2\mu_0 = 40\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}: comparáveis.

4. Π(a)=EB/μ0=1.45×1010 W/m2\Pi(a) = EB/\mu_0 = 1.45 \times 10^{10}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, u=74 J/m3u = 74\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}: Π/u=2.0×108 m/s=c/εr\Pi/u = 2.0 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s} = c/\sqrt{\varepsilon_r}.

5. Ez=I/γπa2=0.027 V/mE_z = I/\gamma\pi a^2 = 0.027\,\mathrm{V}/\mathrm{m}; Πr=EzB/μ0=210 W/m2\Pi_r = E_zB/\mu_0 = 210\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2} para dentro; ×2πa=13 W/m\times2\pi a = 13\,\mathrm{W}/\mathrm{m}; R=1/γπa2=53 µΩ/mR = 1/\gamma\pi a^2 = 53\,\text{µ}\Omega/\mathrm{m}, RI2=13 W/mRI^2 = 13\,\mathrm{W}/\mathrm{m}.

6. Πr/Πz=Ez/Er=1.5×10−8\Pi_r/\Pi_z = E_z/E_r = 1.5 \times 10^{-8}: quase toda a energia corre ao longo da linha; um sopro dela vaza para o cobre.

7. 133 kW133\,\mathrm{kW} perdidos de 10 MW10\,\mathrm{MW}, 1.3%1.3\%; a 200 kV200\,\mathrm{kV}: 1.3 kW1.3\,\mathrm{kW}, 0.013%0.013\%.

8. ∫ab(B2/2μ0)2πr  ⁣dr=(μ0I2/4π)ln⁡(b/a)=27 mJ/m=12ΛI2\int_a^b(B^2/2\mu_0)2\pi r\,\dd r = (\mu_0I^2/4\pi)\ln(b/a) = 27\,\mathrm{mJ}/\mathrm{m} = \tfrac12\Lambda I^2 com Λ=μ0ln⁡(b/a)/2π=0.22 µH/m\Lambda = \mu_0\ln(b/a)/2\pi = 0.22\,\text{µ}\mathrm{H}/\mathrm{m}; elétrica: 12ΓU2\tfrac12\Gamma U^2 com Γ=2πε0εr/ln⁡(b/a)=117 pF/m\Gamma = 2\pi\varepsilon_0\varepsilon_r/\ln(b/a) = 117\,\mathrm{pF}/\mathrm{m}: 23 mJ/m23\,\mathrm{mJ}/\mathrm{m}.

9. E0=870 V/mE_0 = 870\,\mathrm{V}/\mathrm{m}, B0=2.9 µTB_0 = 2.9\,\text{µ}\mathrm{T}, u=3.3 µJ/m3u = 3.3\,\text{µ}\mathrm{J}/\mathrm{m}^{3}, 3×1021 m−2 s−13 \times 10^{21}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}.

10. 320 W320\,\mathrm{W} elétricos; 1280 W1280\,\mathrm{W} de calor em 3.2 m23.2\,\mathrm{m}^{2} de faces: ΔT=1280/32=40 K\Delta T = 1280/32 = 40\,\mathrm{K}.

11. P=I/c=3.3 µPaP = I/c = 3.3\,\text{µ}\mathrm{Pa}; 5.3 µN5.3\,\text{µ}\mathrm{N} contra um peso de 180 N180\,\mathrm{N}.

12. 320×6=1.9 kWh/dia320 \times 6 = 1.9\,\mathrm{kWh}/\mathrm{dia}, 700 kWh/ano700\,\mathrm{kWh}/\mathrm{ano}; cinco painéis, 8 m28\,\mathrm{m}^{2}.

13. 30×10.7=320 W30 \times 10.7 = 320\,\mathrm{W}; a potência flui no campo entre os dois fios — E→\vect E ao longo dos 30 V30\,\mathrm{V}, B→\vect B em torno das correntes — e não no cobre.

14. 4πD2I=3.9×1026 W4\pi D^2I = 3.9 \times 10^{26}\,\mathrm{W}; P/c2=4.3×109 kg/sP/c^2 = 4.3 \times 10^{9}\,\mathrm{kg}/\mathrm{s}.

15. 5×1021×1.6=5×1021 5 \times 10^{21} \times 1.6 = 5 \times 10^{21}\, fótons por segundo.

16. IπRE2/c=5.8×108 NI\pi R_E^2/c = 5.8 \times 10^{8}\,\mathrm{N}: 10−1410^{-14} da gravidade.

17. λ=12.2 cm\lambda = 12.2\,\mathrm{cm}; a cavidade de 30 cm30\,\mathrm{cm} tem alguns comprimentos de onda — um ressoador com modos, e não um feixe livre; as paredes metálicas refletem a onda (profundidade de penetração de micrômetros) e a retêm.

18. 0.25×4180×60=63 kJ0.25 \times 4180 \times 60 = 63\,\mathrm{kJ} a 640 W640\,\mathrm{W}: 98 s98\,\mathrm{s}; 640/2.5×10−4=2.6 MW/m3640/2.5 \times 10^{-4} = 2.6\,\mathrm{MW}/\mathrm{m}^{3}.

19. I=640/5×10−3=1.3×105 W/m2I = 640/5 \times 10^{-3} = 1.3 \times 10^{5}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, E0=10 kV/mE_0 = 10\,\mathrm{kV}/\mathrm{m}; pontos quentes a λ/2=6 cm\lambda/2 = 6\,\mathrm{cm} um do outro — daí o prato giratório.

20. W=QP/ω=103×800/1.54×1010=52 µJW = QP/\omega = 10^3 \times 800/1.54 \times 10^{10} = 52\,\text{µ}\mathrm{J}; u=1.7 mJ/m3u = 1.7\,\mathrm{mJ}/\mathrm{m}^{3}; E0=2u/ε0=20 kV/mE_0 = \sqrt{2u/\varepsilon_0} = 20\,\mathrm{kV}/\mathrm{m} — cem vezes abaixo da ruptura.

21. 12ωε0ε′′E02=2.6×106 W/m3\tfrac12\omega\varepsilon_0\varepsilon''E_0^2 = 2.6 \times 10^{6}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{3}: E0=2 kV/mE_0 = 2\,\mathrm{kV}/\mathrm{m} dentro da água — da ordem do campo da cavidade, reduzido pela permissividade da água: coerente.

22. hf=1.6×10−24 J=1×10−5 eVhf = 1.6 \times 10^{-24}\,\mathrm{J} = 1 \times 10^{-5}\,\mathrm{eV}; 4×10264 \times 10^{26} fótons por segundo; um milhão de vezes pouca energia por fóton para ionizar.

23. ∼u=2 mPa\sim u = 2\,\mathrm{mPa}: não.

24. Sem nada que a absorva, o fluxo de Π→\vect\Pi não tem onde terminar senão de volta no magnetron, que superaquece.

25. Linha: o dielétrico, Π→\vect\Pi axial, 10 MW10\,\mathrm{MW}, uma carga na ponta. Painel: o feixe, Π→\vect\Pi ao longo dos raios do Sol, 1.6 kW1.6\,\mathrm{kW} de entrada, 320 W320\,\mathrm{W} de saída, o semicondutor. Forno: o campo da cavidade, Π→\vect\Pi circulante, 800 W800\,\mathrm{W}, os dipolos da água.