Cargas elétricas e campos magnéticos

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Entenda qual é a relação entre as auroras e o movimento de partículas carregadas (cargas elétricas) em campos magnéticos. É revisão de Física para o Enem!

Se você, assim como eu, gosta de fotografia, deve concordar que é um privilégio poder presenciar e registrar uma paisagem como a da foto que abre este post. O que será que gera essas belas imagens nos céus dos polos norte e sul da Terra?

O que veremos nessa revisão é que, um dos princípios que está por trás das auroras é o movimento de cargas elétricas em um campo magnético, que nesse caso é o campo magnético terrestre.

A todo o momento, nosso planeta é bombardeado por raios cósmicos vindo do espaço, muitos deles provenientes de erupções solares. O que poucos sabem é que esses raios cósmicos são formados por diversas partículas carregadas que ao entrarem no campo magnético da Terra ficam confinadas no que chamamos de cinturão da Van Allen (Não o Van Halen do rock!).

As partículas que escapam acabam dando origem às belíssimas Auroras Boreais (Polo Norte) e Austrais (Polo Sul), ao interagirem com a atmosfera do planeta, o que gera as cores observadas.

Linhas de campo magnético da Terra onde são defletidas as partículas com cargas elétricas, dando origem ao que conhecemos como cinturão de Van Allen.

O que ocorre é que a partícula carregada proveniente dos ventos solares, ao encontrar o campo magnético terrestre, fica sujeita a uma força de ordem magnética (Força de Lorentz), a qual modifica sua trajetória.

Em relação a essa força magnética, sabemos que ela depende de fatores como: a carga (q) e a velocidade (v) da partícula em movimento, o valor do campo magnético (B), e a orientação (theta) entre os vetores velocidade e campo magnético. Matematicamente, temos:

Força magnética

Veja na imagem acima uma Carga q adentrando com velocidade v em uma região onde existe um campo magnético B, orientado horizontalmente para a direita.

Sendo a força magnética um vetor originado do produto vetorial de v e B, é necessária a definição de suas características: intensidade, direção e sentido. A intensidade vem da relação citada acima, já a direção e o sentido podem ser determinados pela regra da mão esquerda, onde os dedos fazem papel dos vetores, tal como segue:

Regra da mão esquerda para cargas positivas

Obervação: A regra da mão esquerda representa a força de uma carga positiva; se a carga da partícula for negativa, o sentido da força é o oposto do que foi apresentado.

A força magnética é sempre perpendicular aos vetores velocidade e campo magnético, o que mostra o motivo pelo qual ela não altera o módulo da velocidade, pois uma força que atue perpendicularmente ao deslocamento de um objeto não executa sobre este, um trabalho, não conferindo assim energia a essa partícula.

É importante ressaltar os casos especiais da força magnética, que fazem relação com a maneira como a carga penetra ao campo magnético.

Casos especiais da força de magnética

Para alterar o módulo do vetor velocidade da partícula, conferindo assim um ganho ou perda de energia cinética, é preciso a presença de um campo elétrico. Uma partícula em movimento dentro de um campo elétrico fica sujeita a uma força elétrica, que atua na direção do vetor velocidade e alterando o seu modulo, para valores maiores, se atuar no mesmo sentido da velocidade, ou menores quando a força elétrica tiver sentido contrário ao da velocidade.

Podemos definir a força elétrica em termos do campo elétrico presente no local onde a partícula carregada se desloca, como:

Força elétrica Fe sobre carga em campo elétrico E

Essa é a força responsável por alterar o módulo da velocidade da carga elétrica, uma vez que atua na direção do deslocamento (F e v no mesmo sentido). É importante salientar que uma carga elétrica positiva, sofre uma força que atua no mesmo sentido do campo elétrico (E), enquanto uma carga negativa sempre se desloca no sentido contrário ao campo presente no local. Você pode observar melhor na imagem:

Carga positiva e negativa em campo elétrico, a força elétrica F tem o mesmo sentido de E quando a carga é positiva e sentido contrário a E quando a carga da partícula for negativa
Veja a videoaula a seguir para saber mais sobre as cargas elétricas:

Exercícios sobre cargas elétricas:

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Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pelo professor Marcelo Alves para o Blog do Enem. Marcelo cursou licenciatura em física pela Universidade Federal de Santa Catarina. Leciona Física em escolas da Grande Florianópolis desde 2015. Facebook: https://www.facebook.com/luizlma