PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 27 do IME 2027

Considere o projétil mostrado na Figura 1 que consiste de uma pilha e um ímã em cada uma das extremidades, cada um deles fazendo contato com o solenoide. O atirador coloca o projétil completamente no interior do solenoide, começando da extremidade direita e, a partir desse momento, o projétil sai do repouso e acelera para a outra extremidade, conforme mostrado na Figura 2.
Dados:
• resistência por espira do solenoide: 0{,}04\ \Omega;
• os pontos de contato dos ímãs com o solenoide sempre distam 10 espiras;
• campo magnético produzido pelos ímãs: 1{,}5\ \text{T};
• ddp da pilha: 6\ \text{V};
• massa do projétil: 10\ \text{g};
• comprimento do projétil: 50\ \text{mm};
• comprimento do solenoide: 300\ \text{mm};
• permeabilidade magnética do meio: 2\cdot 10^{-6}\ \text{T}\cdot\text{m/A}.
Observação:
• experimentalmente estima-se que a força à qual o projétil é submetido, em Newtons, é numericamente igual a 45 vezes o produto entre o campo magnético produzido pela circulação da corrente no interior do solenoide e o campo magnético produzido pelo ímã (ambos em Tesla).
Dado o contexto, o projétil começa a deixar o solenoide à velocidade, em m/s, de:
- A4{,}5
- B5{,}0
- C3{,}0
- D3{,}5
- E4{,}0
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Resolução comentada
Este é um "canhão de Gauss" de tipo bobina (coilgun) simplificado. O circuito é fechado pelas 10 espiras entre os contatos dos ímãs: a pilha de 6 V alimenta essa porção do solenoide.
-
Resistência do trecho em curto: R = 10\cdot 0{,}04 = 0{,}4\ \Omega.
-
Corrente: i = \dfrac{6}{0{,}4} = 15\ \text{A}.
-
Densidade de espiras: as 10 espiras ocupam o comprimento do projétil, 50 mm. Então os contatos distam 10 espiras em 50 mm, e n = \dfrac{10}{0{,}05} = 200\ \text{espiras/m}.
-
Campo do solenoide (apenas as espiras com corrente): B_s = \mu n i = 2\cdot10^{-6}\cdot 200\cdot 15 = 6\cdot10^{-3}\ \text{T}.
-
Força, pela observação: F = 45\cdot B_s\cdot B_{\text{ímã}} = 45\cdot 6\cdot10^{-3}\cdot 1{,}5 = 0{,}405\ \text{N}.
-
O projétil começa dentro do solenoide, na extremidade direita, e começa a sair quando sua frente chega à extremidade esquerda. Como o solenoide mede 300 mm e o projétil 50 mm, o deslocamento é d = 300 - 50 = 250\ \text{mm} = 0{,}25\ \text{m}.
-
Teorema do trabalho-energia, com m = 0{,}01\ \text{kg}:
Alternativa A.
Por que as outras alternativas estão erradas
- BValor sem relação com o deslocamento correto; não resulta de Fd=mv^2/2 com os dados.
- CResulta de usar corrente ou campo menores, por contar as espiras ou a resistência de forma errada.
- DNão corresponde ao cálculo com F=0{,}405 N e d=0{,}25 m.
- EResulta de usar deslocamento incorreto (por exemplo, 0,2 m), não os 250 mm úteis.
Assuntos: solenoide, força magnética, trabalho e energia cinética.
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Fonte: IME 2027 · Prova objetiva. Prova oficial ↗