Física 3 Turma Profa. Ignez Caracelli 3/9/2015. Física C. Aula 01 Introdução. Aulas. Leiam! Livro Texto Leiam! Profa. Ignez Caracelli Física 3

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1 Física C Física 3 Turma Aulas Aula 01 Introdução Profa. Ignez Caracelli 2 Livro Texto Leiam! Livro Texto Leiam! 3 4 1

2 Material Disponível Façam e Refaçam os Exercícios! 5 6 Ementa da Disciplina 01. Carga elétrica, força de coulomb e conceito de campo elétrico. 02. Cálculo do campo elétrico por integração direta. 03. Cálculo do campo elétrico com a lei de Gauss. 04. Potencial elétrico. 05. Materiais dielétricos e capacitores. 06. Corrente elétrica 07. Campo magnético. 08. Cálculo do campo magnético: lei de Ampère e BiotSavart. 09. Indução eletromagnética e lei de Faraday. 10. Equações de Maxwell. Propriedades magnéticas da matéria: diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. Avaliação Os alunos serão submetidos a seis provas regulares, com diferentes conteúdos Prova 1 (P1): carga elétrica, campo elétrico Prova 2 (P2): Campo elétrico e lei de Gauss Prova 3 (P3): Potencial elétrico Prova 4 (P4): Capacitância, corrente elétrica Prova 5 (P5): Campo magnético, leis de Ampère e BiotSavart, Lei de Faraday e indutância Prova 6 (P6): Equações de Maxwell e Propriedades da Matéria. A média das provas será MP = (P1 P2 P3 P4 P5 P6)/

3 provas datas prováveis Avaliação Avaliação P1 18/03 P2 01/04 P3 15/04 Não haverá prova substitutiva. P4 06/05 P5 03/06 P6 24/06 A média das provas será MP = (P1 P2 P3 P4 P5 P6)/ Avaliação Complementar Avaliação Os alunos com média final igual ou superior a 5.0 (cinco) e inferior a 6.0 (seis) e 75% de frequência terão uma única avaliação complementar com os seguintes conteúdos: Lei de Gauss, Potencial Elétrico, Lei de Ampère e BiotSavart e Lei de Faraday. A nota obtida na avaliação complementar será somada à nota final obtida no período letivo e será feita a média aritmética. O aluno será aprovado se obtiver a média igual ou superior a 6,0 (seis). A avaliação complementar está prevista até os 30 primeiros dias úteis do período letivo seguinte

4 Eletricidade: onde??? Eletricidade: onde??? Eletricidade: para que??? Eletricidade: para que??? produção de sensores produção de fármacos

5 Eletricidade: para que??? Eletricidade: para que??? Eletricidade: para que??? Ondas Eletromagnéticas E B

6 Teoria do Eletromagnetismo Equações de Maxwell representam uma das maneiras mais elegantes e concisas para os fundamentos da eletricidade e do magnetismo Lei de Gauss para a Eletricidade Equações de Maxwell fenômenos de eletricidade fenômenos de magnetismo Lei de Gauss para o Magnetismo fenômenos de eletricidade fenômenos de magnetismo Lei de Indução de Faraday unificação das equações: Equações de Maxwell Lei de Ampère Equações de Maxwell Equações de Maxwell caso estático: independe de t situações descritas pelas equações podem ser complexas fixas no espaço Física 3 Aula 01 Carga Elétrica cargas elétricas ou se movem em forma de um fluxo estacionário

7 Fenômenos de Eletricidade Tales de Mileto Grécia a.e.c. eletricidade estática Fenômenos de Eletricidade gregos carga elétrica âmbar resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais âmbar = e ectron quantidade fundamental presente em todos os fenômenos elétricos A Matéria O átomo MATÉRIA ÁTOMOS partículas núcleo [prótons (positivos) nêutrons (sem carga)] eletrosfera [elétrons (negativos)]

8 O íon Molécula O íon Cargas elétricas quebra de ligações perda de 1 elétron ganho de 1 elétron

9 Condutores Tipos de Materiais Tipos de Materiais Isolantes Semicondutores Condutores mobilidade dos elétrons Isolantes Supercondutores Tipos de Materiais Tipos de Materiais Condutores a carga líquida positiva está distribuída próxima à superfície Isolantes a carga livre carga líquida = net charge carga líquida = carga resultante a carga imóvel

10 Tipos de Materiais Isolantes núcleo elétrons internos elétrons de valência íons positivos Tipos de Materiais Condutores elétrons de valência fortemente ligados a carga imóvel elétrons de valência livres mar de elétrons a carga móvel Isolantes de eletricidade São os meios materiais nos quais não há facilidade de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc. Isolantes e Condutores Condutores de eletricidade São os meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas, devido a presença de "elétrons livres". Ex: fio de cobre, alumínio, etc. Condutores e Isolantes Um condutor oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica. Um isolante oferece uma resistência muito maior

11 Tipos de Materiais: semicondutores Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores nem bons isolantes. Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura e tornandose excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina. Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores. Tipos de Materiais: semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transistores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes Tipos de Materiais: supercondutores Tipos de Materiais: supercondutores Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinados materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga. Esses são os materiais supercondutores. Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Sem resistência elétrica alguma a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga. A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto nãometálico

12 Tipos de Materiais: supercondutores Pesquisas sobre materiais que são supercondutores tanto em baixas como em altas temperaturas. As potenciais aplicações incluem transmissão de energia a grandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens. Tipos de Materiais: supercondutores Um grupo da Universidade de Cambridge, utilizou uma liga de óxido de cobre bário e gadolínio e produziram um supercondutor da categoria de alta temperatura, acima do ponto de ebulição do nitrogênio, 196 C. Isso por si só não é novidade, mas o condutor criado encapsulou um campo magnético de 17,6 tesla. Os ímãs do LHC tem potência de 8 T. Esse recorde superou o anterior, de 17,2 tesla; estabelecido em 2003 por cientistas japoneses. Durrell et al., Superconductor Science and Technology, 27 (2014) (5pp) Supercondutores Supercondutores

13 Eletrização: o que é? Processos de Eletrização transferência de cargas de um material para outro Eletrização indução transferência de cargas de um material para outro atrito contato Eletrização por Atrito Eletrização por Atrito Triboeletrização (ou eletrização por atrito): Ocorre em função da passagem de elétrons de um corpo para outro. Os elétrons da camada periférica fracamente ligados ao átomo, mais precisamente ao núcleo deste átomo são capturados pelos átomos do outro corpo, que possuem elétrons não tão distantes. Os corpos adquirem, assim, cargas de sinais contrários

14 perde elétrons Eletrização por Atrito Série Triboelétrica: perde elétrons Eletrização por Atrito ganha elétrons Quando dois elementos constantes na tabela são atritados, o elemento que ocupa a posição superior perde elétrons, enquanto o que ocupa a posição inferior ganha elétrons. ganha elétrons lã bastão de vidro perde elétrons Eletrização por Atrito 1. Esferas condutoras neutras isoladas: Eletrização por Indução lã ebonite isolante ganha elétrons

15 Eletrização por Indução 2. Esferas condutoras neutras juntas na presença de indutor: Eletrização por Indução 3. Esferas condutoras separadas na presença de indutor: indutor esfera carregada isolante esfera carregada indutor ocorreu redistribuição de cargas mas a soma de cargas torna o conjunto neutro as esferas estão agora carregadas Eletrização por Indução Eletrização por Indução com aterramento 4. Esferas condutoras separadas sem o indutor: esfera carregada isolante esfera carregada terra as esferas estão agora carregadas

16 Eletrização por Contato Conservação da Carga Em um sistema isolado, a soma de todas as cargas do sistema permanece constante. Um sistema isolado é a parte do universo que queremos estudar e que se encontra livre de influências externas. Qual o significado dessa lei? Quer dizer o sistema pode ser acelerado, iluminado, aquecido, ou sofrer outras influências e sua carga total não sofrerá mudanças, exceto se houver transferência de carga entre o sistema e o meio externo Pêndulo eletrostático Eletroscópio

17 Eletroscópio Eletroscópio isolante carregado isolante carregado esfera metálica neutra esfera metálica carregada transferência de elétrons por contato em um processo rápido a carga se distribui pelo eletroscópio Eletroscópio esfera metálica carregada Eletroscópio haste metálica carregada haste metálica carregada cargas de mesma natureza se reprelem

18 Gaiola de Faraday Gaiola de Faraday Gaiola de Faraday É seguro permanecer dentro de um automóvel em uma tempestade com raios? Gaiola de Faraday Sim. O excesso de cargas está na superfície. Se os ocupantes permanecerem dentro, estarão seguros

19 Gerador de Van de Graaff Ano de invenção: 1931 Objetivo: produzir una ddp muito alta (~ 20 milhões de volts) para acelerar partículas carregadas. Gerador de Van de Graaff O gerador de van de Graaff é um gerador de corrente constante, enquanto que a bateria é um gerador de tensão constante Gerador de Van de Graaff Torniquete Eletrostático

20 F 21 Lei de Coulomb F 12 F 12 F 21 Lei experimental há duas espécies de carga elétrica Lei de Coulomb duas cargas puntuais exercem, entre si, forças que atuam ao longo da linha que as une e são inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre elas F 21 F 12 as forças são proporcionais ao produto das cargas; são repulsivas para cargas de mesmo sinal e atrativas para cargas de sinais opostos F 12 F 21 F k Lei de Coulomb; Modelo Matemático q 1 r q 2 2 Lei de Coulomb princípio de superposição duas cargas muitas cargas? 79 20

21 princípio de superposição princípio de superposição q4 F 1 F21 F31 F41 q2 q3 N cargas puntuais F14 F 41 F 21 F12 F13 F 31 q1 N cargas puntuais campo elétrico E carga elétrica propriedade da matéria força elétrica interação entre cargas campo elétrico a presença de uma carga elétrica campo elétrico E e representação de E campo elétrico a presença de uma carga elétrica campo elétrico linhas de campo elétrico carga positiva carga negativa

22 distribuição radial e tridimensional q campo elétrico E e cargas q 85 22