Física Geral e Experimental -4 Eletricidade

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1 Física Geral e Experimental -4 Eletricidade

2 Ementa do Curso Introdução: Processos de Eletrização Lei de Coulomb e aplicações Campos Elétricos de distribuições discretas/contínuas de cargas A Lei de Gauss Potencial Elétrico Introdução à Eletrodinâmica: Lei de Ohm Aplicações da Lei de Ohm: Potência, Lei de Joule Geradores e Receptores Leis de Kirchoff para malhas elétricas

3 Bibliografia Física para Cientistas e Engenheiros; Paul Tipler e Gene Mosca, 6 a ed. vol 2. Fundamentos da Física; D. Halliday, R. Resnick e J. Walker, 8 a ed., vol 3. Física III; Sears & Zemanski (Young & Freedmann), 12 a ed, vol. 3. As listas de exercícios devem ser trabalhadas também fora da sala de aula.

4 Introdução Bibliografia e figuras desta aula: Física III, Sears e Zamansky, 12 ed. Capítulo 21, págs 1-7 A compreensão dos fenômenos eletromagnéticos é responsável pela grande revolução que ocorreu na humanidade a partir do final do século XIX. Celulares, computadores, TV s, rádios, sensores têm o seu funcionamento baseado na teoria eletromagnética que é a teoria que une a eletricidade e o magnetismo. A força que une os átomos em moléculas é a força eletromagnética que é uma das quatro interações fundamentais na natureza. Quais são as outras? Muitos dos fenômenos naturais como os relâmpagos, a aurora boreal, o arcoíris são de natureza eletromagnética. Começaremos o estudo deste importante tópico através da Eletrostática que consiste no estudo de sistemas elétricos nos quais as cargas estão em repouso.

5 Um pouco de história... Grécia Antiga: Thales de Mileto observou que o âmbar atritado com palha adquiria a propriedade de atrair pedaços desta palha. Na mesma época, os gregos observam que imãs naturais atraem pedacinhos de Ferro. Século XIX: Hans Christian Orstead descobre que uma corrente elétrica em um fio é capaz de mudar a orientação de uma bússola, ou seja, unifica a eletricidade e o magnetismo. Michael Faraday: Imensas contribuições ao eletromagnetismo: Lei de Indução (princípio que rege o funcionamento de geradores e transformadores elétricos). Idéias sobre o conceito de Campos Elétricos e Magnéticos... J. C. Maxwell: Unifica matematicamente as equações da eletricidade e do magnetismo e, apoiado nas experiências de Hertz mostra que a luz tem natureza eletromagnética.

6 Carga Elétrica e Processos de Eletrização Carga elétrica: é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais que constituem a matéria Em seu estado natural um dado material é nêutro, ou seja, o número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas presentes. Obviamente, estes números são muito grandes de tal forma que não somos capazes de contar as cargas elétricas. Quando há uma assimetria entre o número de cargas elétricas positivas e negativas dizemos que um corpo está eletricamente carregado.

7 Carga Elétrica Processos de Eletrização

8 Estas experiências mostram que existem dois tipos de carga elétrica: positivas e negativas e, cargas com sinais iguais se repelem enquanto que aquelas com sinais opostos se atraem. Exemplo na vida prática (Impressão a laser)

9 Dando um zoom no átomo... Dando um zoom no próton u u d A carga do próton é igual à carga do elétron porém com o sinal contrário. Os quarks up (u) and down (d) têm cargas elétricas respectivamente iguais à qu = (1/3)e qd = -(1/3)e. e =1, C 1, C

10 Conservação e Quantização da Carga Elétrica A quantidade de carga elétrica é conservada em um sistema isolado, ou seja X i Q i = X j Q j Princípio Geral: Se um elétron for destruído em algum lugar do universo, outro deve ser criado em algum ponto no mesmo instante. Qualquer quantidade de carga elétrica pode ser escrita como sendo um múltiplo da carga elétrica de um elétron, que é a unidade de carga elétrica fundamental, ou seja: Q = N.e Em um átomo nêutro, o número de prótons (Z) é igual ao número de elétrons. Se um átomo perde elétrons ele fica ionizado positivamente. Se um átomo ganha elétrons ele fica ionizado negativamente.

11 Exemplo de ionização

12 Condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores Um condutor é um material no qual as cargas elétricas movem-se facilmente através dele. Os metais são excelentes condutores de eletricidade pois possuem elétrons livres em sua rede cristalina. Um isolante é um material no qual as cargas elétricas não podem se movimentar através dele. Alguns exemplos: plástico, borracha, madeira.. Um semicondutor é um material com um comportamento intermediário entre um condutor e um isolante. Si e Ge são exemplos clássicos de semicondutores utilizados na industria de micro (nano) eletrônica. Um material supercondutor é um condutor perfeito que não apresenta perdas na condução. Um problema destes materiais é que, do ponto de vista prático, trabalham em baixíssimas temperaturas o que dificulta sua utilização em escala industrial.

13 Eletrização por indução-1 Figuras (a) e (b): Os elétrons do bastão repelem os elétrons livres do condutor para o lado direito da esfera, deixando a região próxima ao bastão com deficiência de carga negativa (carregada positivamente). Então no lado direito do condutor teremos um excesso de carga negativa enquanto que do lado esquerdo (próximo ao bastão) teremos um excesso de carga positiva. Em cada lado da esfera temos uma carga induzida.

14 Eletrização por indução-2

15 Eletrização por atrito Depois de atritar um pente de plástico contra o cabelo fazendo-o adquirir carga elétrica (positiva ou negativa) podemos fazê-lo atrair pedacinhos de papel que são nêutros. Como isto ocorre? Resposta: Ocorre uma polarização das moléculas do papel

16 Pintura Eletrostática Melhor acabamento (mais uniforme) O metal a ser pintado é conectado à terra e as gotículas de tinta recebem uma carga elétrica ao serem borrifadas. Cargas induzidas de sinal oposto `as das gotículas surgem no metal e as atraem para a superfície.

17 Contaminação Bacteriana em UTI s Nos monitores convencionais as imagens são produzidas por um canhão de elétrons(-) que são atraídos para a tela (+). As partículas de poeira contém bactérias e contaminam a tela Um médico mesmo com a mão enluvada coloca o dedo na tela que pode estar carregado, atraindo as partículas de poeira contaminadas.

18 Exercícios Exemplo 1 (Tipler, 5 a ed. Vol. 2, pág 4): Uma carga de 50nC pode ser produzida em laboratório pelo atrito entre dois corpos. Quantos elétrons deverão ser produzidos para se produzir esta carga? Exemplo 2*(Tipler, 5 a ed. Vol. 2, pág 4): Uma moeda de cobre (Z=29) possui uma massa de 3g. Qual a carga elétrica total desta moeda? Dada a massa molar do Cu M=63,5g/mol. Exemplo 3 (Tipler, 5a ed. Vol.2, pág 6): Duas esferas condutoras idênticas, uma com carga inicial +Q e a outra inicialmente nêutra são postas em contato. (a) Qual o valor da nova carga em cada uma das esferas? (b) Enquanto as esferas estão em contato, uma barra com carga negativa é aproximada de uma das esferas, fazendo com que ela fique com uma carga +2Q. Qual será o valor da carga na outra esfera? Exemplo 4 (Tipler, 5 a ed, Vol. 2, pág 6): Duas esferas idênticas são carregadas por indução e, em seguida, separadas. A primeira esfera possui uma carga +Q enquanto a segunda adquire uma carga -Q. Uma terceira esfera idêntica inicialmente descarregada entra em contato com a primeira esfera e se afasta e, em seguida, entra em contato com a esfera 2 e é novamente separada. Qual será a carga final em cada uma das esferas?