Eletricidade e Magnetismo I (Eletromagnetismo)

Transcrição

1 Eletricidade e Magnetismo I (Eletromagnetismo) Histórico 1

2 Fenômenos elétricos - Eletricidade Inpe: pessoas morreram no país atingidas por raios entre 2000 e Ao menos 30 pessoas morreram atingidas por raio em 2010 no Brasil. Somente no Estado de São Paulo, oito morreram após serem atingidas por descargas elétricas entre janeiro e setembro de 2010, de acordo com o Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe). No ano de 2009, 131 pessoas morreram, sendo 25 paulistas. Já em 2008, foram contabilizadas 160 mortes. Segundo o Elat, somente em seis dias, raios caíram sobre o Estado de São Paulo. Os Estados mais atingidos por raios são Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Mato Grosso do Sul, Paraná, Rio de Janeiro e São Paulo. Cerca de 50 milhões de raios caem anualmente no Brasil. Desse total, 80% caem na primavera e verão, entre outubro e março. A probabilidade de um paulista ser atingido por um raio, nos últimos 10 anos, foi de 0,6 em 1 milhão. Fonte Época (2010) 98 mortes por raios em Fonte Folha de São Paulo (2014) Brasil é o país com maior incidência de descargas atmosféricas. Sistema que prevê a ocorrência de raios com 24h de antecedência foi desenvolvido pelo Grupo de Eletricidade Atmosférica do Inpe (FAPESP) 2

3 Fenômenos magnéticos - Magnetismo Magnetismo da Terra O magnetismo terrestre é causado pela movimentação de seu núcleo, que é supostamente dividido em uma parte sólida e uma líquida, ambas compostas de ligas metálicas de ferro, em que a movimentação da parte líquida em relação à parte sólida, causa a indução de um campo magnético muito forte no núcleo que é quase totalmente barrado pelo manto, composto principalmente de material eletricamente isolante. O magnetismo terrestre tem o seu pólo sul magnético próximo ao pólo norte geográfico, assim também como o pólo norte magnético é próximo do pólo sul geográfico, com estes dois pólos magnéticos interagindo da mesma forma que os pólos de um ímã. Atribui-se a descoberta da orientação natural dos ímanes aos chineses, por volta do ano 2000 a.c., e por consequência, a invenção da bússola. Foi introduzida na Europa pelos árabes, e foi Flávio Gioia que introduziu também o desenho da rosa-dos-ventos na bússola, mas, conforme se veio recentemente a provar é afinal um historiador italiano que a aborda pela primeira vez no ocidente. Data pelo menos do século XV o conhecimento da declinação magnética, quer dizer, da diferença entre o Norte magnético, indicado pela agulha, e o Norte verdadeiro e, possivelmente, foi descoberta pelos portugueses. A declinação era verificada pelo confronto com a observação da Estrela Polar, quando no hemisfério norte, ou da Estrela Pé do Cruzeiro, quando no hemisfério sul, e a direção apontada pela bússola. Fonte Wikipedia 3

4 A história da eletrização As primeiras observações ~600 a.c. quando Tales de Mileto atritou âmbar (elektron), resina fóssil em lã e atraiu palha. Mais ou menos na mesma época já se conhecia as propriedades da magnetita (Fe 3 O 4 ), mas os dois fenômenos não eram diferenciados. Apenas ~13 d.c. alguém utilizou esses fenômenos para fins práticos, inventando a bússola. Somente em 1600 William Gilbert (médico real) diferenciou a atração elétrica da magnética e explicou o funcionamento da bússola (Terra = grande ímã). William Gilbert ( ) 4

5 Trabalhos experimentais em Eletricidade no século XVIII Em 1750 Benjamin Franklin propôs que todo corpo possui uma certa quantidade intrínseca de fluido elétrico. No atrito parte desse fluido seria transferido de um corpo - para um outro +. Borracha e lã são -. Isto explicava o eletroscópio, mas não explicava muito bem o pêndulo eletrostático. Benjamin Franklin ( ) Alessandro Volta inventou a primeira bateria em Alessandro Volta ( ) 5

6 A descoberta dos raios X e do elétron A explicação do efeito da eletrização só ocorreu no fim do século XIX e início do século XX, quando a estrutura atômica foi estabelecida: o elétron é responsável pelo efeito. No modelo de estrutura atômica prótons (+) e elétrons (-) têm cargas contrárias. Macroscopicamente diz-se que um corpo tem carga quando há carga líquida (falta ou excesso de elétrons). J.J.Thomson ( ) Descoberta do raios X por Wilhelm Conrad Roentgen em 1895 (Nobel em 1901). Descoberta do elétron em 1897 por Joseph John Thomson (Nobel em 1906). W.C. Roentgen ( ) 6

7 De forma geral pode-se afirmar: Há somente 2 tipos de cargas: + e -. Mesmo sinal se repele, sinal oposto se atrai. A força entre 2 cargas atua ao longo da linha que as une e é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A carga se conserva. F A carga é quantizada. A força pode ser atrativa ou repulsiva (3 ª Lei de Newton). Analogia com a força gravitacional. Cargas opostas F q r q r 7

8 Propriedades da eletrização Foi Charles-Augustin de Coulomb quem primeiro estabeleceu rigorosamente as propriedades da eletrização (1795), sem mesmo conhecer a estrutura real do átomo. Segundo Coulomb: F q q vácuo, C F21 k r k 910 Nm / 2 r12 1e =1,602x10-19 C 2 C. A. Coulomb ( ) 8

9 Carga elétrica e modelos atômicos 400 a.c. Demócrito pensou que a matéria não poderia ser dividida indefinidamente. 350 a.c. Aristóteles modificou uma teoria anterior e afirmou que a matéria é formada por 4 elementos : terra, fogo, água e ar. Sua teoria, embora errada, persistiu por 2000 anos. Demócrito Aristóteles 9

10 Carga elétrica e modelos atômicos Segundo Dalton, a matéria é feita de átomos. Átomos são sólidos e indivisíveis. Modelo do pudim de passas de Thomson: elétrons negativos numa matriz positiva. Átomos são basicamente espaço vazio, elétrons negativos orbitam em torno do núcleo positivo. Modelo de Bohr: primórdios da MQ. John Dalton ( ) Ernest Rutherford ( ) Niels Bohr ( ) 10

11 Quantização da carga Determinação da carga do elétron = 1,6x10-19 C. Estudo do efeito fotoelétrico. A carga elétrica só aparece na natureza em múltiplos inteiros de um valor unitário, que é a carga do elétron. Robert Andrews Millikan ( ) 11

12 Polarização Quando atritamos dois corpos feitos de materiais diferentes, um deles transfere elétrons para o outro. Há 2 tipos de polarização: Série triboelétrica por indução e por condução. 12

13 Eletroscópio 13

14 Dosímetro de bolso 14

15 Eletricidade e os Materiais Diferentes materiais possuem características elétricas próprias e são classificados como: Isolantes: não transportam com facilidade cargas elétricas. Condutores: são materiais em que as cargas elétricas podem se movimentar livremente. Semicondutores (Si e Ge): as propriedades elétricas podem ser alteradas por várias ordens de grandeza pela adição controlada de átomos ao material (dopagem). 15

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17 Materiais 17

18 Relação entre eletricidade e magnetismo Ampère após tomar conhecimento dos resultados experimentais do físico holandês Oersted desenvolveu em poucas semanas uma lei matemática que relacionava campo magnético com corrente elétrica. A descoberta de Oersted que uma corrente elétrica provocava a deflexão da agulha imantada, indicando a presença de um campo magnético, também motivou Biot e Savart a desenvolver uma lei que leva seus nomes. Hans Christian Oersted ( ) André-Marie Ampère ( ) 18

19 Relação entre eletricidade e magnetismo Autodidata em física e química. Estudou o campo magnético em torno de fios condutores percorridos por corrente constante. Descobriu a indução eletromagnética: forças magnéticas podiam gerar correntes elétricas. Bases para desenvolvimento dos motores elétricos transformação da energia elétrica/magnética em energia mecânica. Explicação por meio de linhas de força, precursora da descrição por meio do conceito de campo, subsequentemente ampliada por James Clerk Maxwell. Descoberta do benzeno. Descoberta do diamagnetismo. Descoberta da eletrólise. Michael Faraday ( ) 19

20 Relação entre eletricidade e magnetismo Síntese das leis do eletromagnetismo. Equações de Maxwell. Previsão da existência de ondas eletromagnéticas. A luz é uma onda eletromagnética. James Clerk Maxwell ( ) Velocidade de propagação da luz: c=1/(e 0 μ 0 ) 1/2. 20

21 Equações de Maxwell 21

22 Ondas eletromagnéticas Hertz expandiu a teoria eletromagnética da luz. Foi o primeiro a demonstrar a existência de ondas eletromagnéticas construindo um equipamento capaz de produzir e detectar ondas de rádio VHF e UHF. Heinrich Hertz ( ) 22

23 Teoria da Relatividade e Quântica A teoria da relatividade se inspirou na teoria eletromagnética. O valor constante de c = 3x10 8 m/s. O eletromagnetismo clássico estuda as cargas em movimento e suas ações mútuas, servindo-se do conceito de campos elétrico e magnético produzidos por essas cargas. Se por um lado, essa teoria é perfeitamente compatível com a teoria da relatividade, existem limitações quanto à aplicação dessa teoria clássica ao domínio de distâncias muito pequenas. A quantização da carga abriu uma outra área de conhecimento na Física, que é a Teoria Quântica com implicações importantes sobre a estrutura da matéria. No entanto, os efeitos quânticos impõem correções muito pequenas para distâncias maiores que cm. Albert Einstein ( ) 23

24 Eletromagnetismo Força eletromagnética: uma das forças básicas da natureza. Pouco perceptível porque a matéria é normalmente neutra. Responsável por vários fenômenos tais como tensão superficial de líquidos, atrito, efeitos de capilaridade, etc. Conhecida desde a antiguidade eletrização por atrito. Idéia de um fluído que se transferia de um corpo para outro. A falta ou excesso do fluido explicaria os dois tipos de força elétrica; atrativa ou repulsiva. Já existia a noção de conservação do fluido elétrico (conservação da carga). 24