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Ondas Eletromagnéticas 02 1. Eletrização 4 A Carga Elétrica 4 Eletrização 10 Eletrização por Atrito 11 Eletrização por Contato 12 Eletrização por Indução 14 2. Força Elétrica 19 Lei de Coulomb 19 3. Campo Elétrico 25 Campo Gravitacional 25 Campo Elétrico 26 4. Referências Bibliográficas 32 03 4 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 1. Eletrização Fonte: Ciência Hoje1 A Carga Elétrica odos os corpos que nos rodeiam são constituídos de matéria. A matéria é formada por átomos. Embora a palavra átomo signifique indivisível em tradução aberta do grego (a = não, tomo = parte) estudos mais recentes demonstram que estas pequenas partículas que compõem o universo possuem partes ainda menores em seu interior. Em uma divisão 1 Retirado em: https://cienciahoje.org.br/ simplória iremos dividir o átomo somente em três componentes, que são os que nos interessarão no estudo da eletrostática, a saber: prótons, elétrons e nêutrons. A propósito, dá-se o nome de eletrostática o ramo da física destinado ao estudo e observação de fenômenos que envolvem movimentos que não possuem um padrão ordenado, exceto em um curto intervalo de tempo. T 5 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Os prótons são partículas carregadas positivamente e que permanecem no centro do átomo junto com outras partículas, os nêutrons. Estes por sua vez não possuem carga positiva nem negativa, sendo partículas com neutralidade elétrica, daí seu nome. Fora do centro do átomo temos partículas com cargas negativas e que possuem massa desprezível se comparada com as duas mencionadas anteriormente (a massa de um elétron representa 1/1836 da massa do próton), estamos nos referindo aos elétrons, que giram em torno do núcleo no que conhecemos por eletrosfera atômico a velocidades surpreendentes. Representação de átomo Fonte: Infoescola O número de prótons ou nêutrons que um determinado material possui pode variar de acordo com sua composição. Ao analisar fenômenos elétricos é bom ter em mente que somente os elétrons é que se movimentam. Quando um corpo possui muitos elétrons livres, isto é, elétrons que estão distantes do núcleo podendo ser facilmente “perdidos” para outro corpo, o chamamos de condutor elétrico, já em casos onde os elétrons estão mais presos em suas órbitas, dificultando sua transferência denominamos o corpo como isolante elétrico. São exemplos de bons condutores elétricos os metais, grafite e gases ionizados e de bons isolantes o ar, o vidro, a borracha e o plástico. Com algumas exceções corpos que são bons condutores térmicos tendem a ser bons condutores elétricos e vice-versa. A este respeito, Rigotti afirma: É normal pensar que, quando um átomo está carregado positivamente, é porque ele "ganhou" prótons. Mas, na realidade, o que ocorreu foi a perda de elétrons, já que os prótons não se movem do núcleo. Sendo assim, por ficar com menos carga negativa, há um excesso de carga positiva. Como mostra a Figura 1.4, um átomo neutro possui o módulo de sua carga elétrica negativa igual ao módulo da carga 6 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS elétrica positiva, e a soma algébrica de todas as cargas é igual a zero. O número atômico é o número de elétrons (ou de prótons) presentes em um átomo neutro. O processo em que o átomo ganha ou perde elétrons é chamado de ionização ou eletrização. Quando removemos um ou mais elétrons de um átomo, forma-se um íon positivo. Já o íon negativo é formado quando um átomo ganha um ou mais elétrons. (2015, pág. 7) A carga elétrica presente nos materiais normalmente é descrita pela letra “Q”. As cargas elétricas do próton e do nêutron possuem um valor absoluto chamado de carga elementar e representado pela letra “e”. O valor aproximado da carga elementar é dado por: e = 1,6 ∙ 10-19 C No sistema internacional de medidas (SI) a unidade utilizada para medir cargas elétricas é o coulomb representado pela letra “C”. Sempre que um corpo ganhar ou perder elétrons para outro o valor da carga elementar deverá ser tomado como referência para exemplificar o valor transferido, visto não ser possível a transmissão de frações de elétrons tais como ¾ de elétron ou ½ elétron etc. Por esta razão, a representação da 7 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS quantidade de troca elétrica irá obedecer a seguinte regra: Q = n ∙ e Podendo a carga (Q) apresentar inúmeros valores distintos, todos serão múltiplos da carga elementar “e” e “n” sempre pertencerá aos números inteiros. Isso é o mesmo que dizer que a carga elétrica de um corpo é quantizada. Exercício Resolvido 1. Dada uma esfera de borracha eletricamente neutra que por um processo qualquer teve 2 ∙ 109 elétrons acrescentados à sua superfície, determine a carga elétrica dessa esfera. Fonte: Indústria São Paulo Resolução: Utilizando a fórmula supracitada, substitua os dados, tendo em mente que acrescer elétrons a um corpo é o mesmo que eletrizá-lo negativamente, portanto o sinal de “n” deve ser negativo: Q = n ∙ e Q = - 2 ∙ 109 ∙ e Embora o enunciado não forneça a carga elementar, sabe-se que o valor é 1,6 ∙ 10-19 C, portanto, basta substituir o valor na fórmula: Q = - 2 ∙ 109 ∙ 1,6 ∙ 10-19 Multiplicando os números inteiros e mantendo as potências de base dez obeteremos: Q = - 3,2 ∙ 109 ∙ 10-19 Utilizando as propriedades de multiplicações com potências de mesma base iremos manter a base e somar os expoentes: Q = - 3,2 ∙ 109 +(-19) O resultado será: Q = - 3,2 ∙ 10-10 C Quando duas partículas carregadas eletricamente entram em contato duas coisam podem acontecer: elas podem se atrair ou se repelir. A atração ou repulsão irá ser 8 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS resultante das cargas encontradas nas partículas. Partículas de cargas iguais (negativo + negativo ou positivo + positivo) irão se repelir, enquanto as partículas com cargas diferentes (positivo + negativo) irão se atrair. Esquema de atração e repulsão de partículas Fonte: USP A este respeito, Young and Freedman informam: Duas cargas positivas se repelem e duas cargas negativas também se repelem. Existe uma atração mútua entre uma carga positiva e uma carga negativa. A atração e a repulsão entre dois objetos carregados é geralmente resumida como 'cargas iguais se repelem e cargas contrárias se atraem. Contudo, tenha em mente que a expressão 'cargas iguais' não significa que as duas cargas sejam idênticas, apenas que elas possuem o mesmo sinal algébrico (ambas são positivas ou ambas são negativas). 'Cargas contrárias' significam que os objetos possuem cargas elétricas e que essas cargas possuem sinais algébricos opostos (uma é positiva e a outra é negativa). (2009, pag. 2) Um princípio importante a se ter em mente é o de conservação das cargas elétricas. Em um sistema fechado, se dois corpos são postos em contato, a mesma quantidade elétrica perdida por um dos corpos terá sido ganha pelo outro. Ou seja, a soma total das cargas, antes e depois do evento, é a mesma. Esquema de preservação de cargas elétricas Fonte: Realize Educação 9 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Exercício Resolvido 2. (UFMG) Duas esferinhas metálicas, P e R, suspensas por fios isolantes e próximas uma da outra, repelem-se. Pode-se concluir, com certeza, que: a. ambas têm cargas positivas. b. ambas têm cargas negativas. c. uma tem carga positiva e a outra, negativa. d. ambas têm cargas de mesmo sinal, positivo ou negativo.? ? Fonte: Desenvolvido pelo autor Resolução: Cargas diferentes se atraem, portanto, podemos descartar a alternativa “c”. Se ambas as esferas possuírem carga positiva ou negativa o efeito visualizado será a repulsão, porém, somente observando o fenômeno não é possível determinar se as cargas são positivas ou negativas, sendo as alternativas “a” e “b” incertas. A alternativa que melhor define o ocorrido é a letra “d”. Exercício Resolvido 3. (UECE) Um condutor elétrico metálico, de formato irregular e isolado, está carregado com uma carga positiva total +Q. Pode-se afirmar CORRETAMENTE que a carga +Q a. é a somatória das cargas dos prótons que compõem o condutor. b. está distribuída uniformemente por toda a superfície externa do condutor. c. está distribuída uniformemente por todo o condutor, exceto pela sua superfície. d. é o saldo do balanço entre as cargas dos prótons e dos elétrons que compõem o condutor. Resolução: O fato da carga ser positiva faz com que o número de prótons seja superior ao de elétrons, ou seja, o condutor perdeu elétrons, mas a carga não será medida somente pelo número de prótons P R 10 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS isoladamente, portanto, desconsidera-se a alternativa “a”. As alternativas “b” e “c” são falsas, pois a carga só estaria distribuída uniformemente sobre o condutor se ele possuísse formato esférico, o que não é o caso. Logo, a alternativa correta é a letra “d”, pois a carga é o valor resultante do balanço entre prótons e elétrons no condutor. Exercício Resolvido 4. (UEM- PR) Um balão de aniversário é atritato com o cabelo de uma pessoa e, então, é aproximado de uma parede. Nota-se que o balão é atraído pela parede. Esse fenômeno se deve a. à força eletrostática entre as partículas na superfície do balão. b. às forças magnéticas entre as partículas na superfície do balão. c. às forças eletrostáticas entre as partículas na superfície do balão e as partículas da parede. d. às forças magnéticas entre as partículas na superfície do balão e as partículas da parede. e. à força gravitacional entre o balão e a parede. Resolução: O balão e a parede não são atraídos por forças magnéticas, pois não funcionam como imãs, logo, as alternativas “b” e “d” estão incorretas. A força que irá atrair o balão à parede também não é a gravitacional, pois deste modo o balão seria atraído para o centro da Terra, inviabilizando a alternativa “e”. Tendo em mente que a força que atrai o balão é a eletrostática, basta saber que o balão irá interagir com a parede, ou seja, a perda e/ou o ganho de elétrons irá propiciar a atração balão-parede, de modo que o fenômeno da atração não ocorre somente no balão, tornando incorreta a alternativa “a”, logo, a alternativa correta é a letra “c”. Eletrização Um corpo em estado natural é eletricamente neutro, ou seja, possui o mesmo número de prótons e elétrons. Eletrizar um corpo é o mesmo que quebrar este equilíbrio fornecendo ou retirando elétrons da sua carga total. Quando retiramos elétrons temos um corpo carregado positivamente, pois o número de prótons sendo fixo permanecerá superior ao de elétrons. Quando fornecemos elétrons a um corpo ele 11 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS ficará carregado negativamente, pois o número de elétrons será superior ao de prótons pelo mesmo motivo. Um corpo pode ser eletrizado por atrito, por contato ou por indução. Eletrização por Atrito O atrito realizado entre dois corpos facilita a transferência de elétrons do corpo com menos tendência a atrair elétrons para o corpo com mais tendência a atrair elétrons. Halliday demonstra que um bastão de vidro suspenso é atraído por um pano de lã. Porém, se outro bastão de vídro for atritado a um pano de lã, ao se aproximar do bastão suspenso irá repeli-lo. E, se, um pano de lã for suspenso e outro dele aproximado, também causará repulsão, conforme ilustrações abaixo: Fonte: Halliday, pág. 2 Conforme Machado e Canto cinco observações podem ser feitas sobre a eletrização por atrito: 1. Durante o atrito, apenas elétrons são trocados entre os corpos, continuando os prótons e os nêutrons presos ao núcleo atômico. 2. Corpos feitos do mesmo material não se eletrizam por atrito, pois ambos apresentam 12 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS igual tendência de atrair elétrons. 3. Os elétrons que se transferem de um corpo a outro são apenas uma pequena parte do total de elétrons que o corpo possui. Na maioria das vezes, o corpo perde poucos dos seus elétrons. 4. Um condutor pode ser eletrizado por atrito desde que você o segure com algum material que seja isolante. Se não o fizer, quase a totalidade das cargas que ele adquire vai para o seu corpo e ele fica praticamente descarregado. 5. Um mesmo corpo pode ser eletrizado positiva ou negativamente, dependendo do material com o qual foi atritado. (2017, pág. 72) Sobre eletrização por atrito, Halliday traz um exemplo, inclusive demonstrando como o fenômeno pode ser anulado: Quando esfregamos uma barra de cobre com um pedaço de lã, cargas são transferidas da lã para o cobre. Entretanto, se você segurar ao mesmo tempo a barra de cobre e uma torneira, a barra de cobre não ficará carregada. O que acontece é que você, a barra de cobre e a torneira são condutores que estão ligados, pelo encanamento, a um imenso condutor, que é a Terra. Como as cargas em excesso depositadas no cobre pela lã se repelem, elas se afastam umas das outras passando primeiro para a sua mão, depois para a torneira e finalmente para a Terra, onde se espalham. O processo deixa a barra de cobre eletricamente neutra. Quando estabelecemos um caminho entre um objeto e a Terra constituído unicamente por materiais condutores, dizemos que o objeto está aterrado; quando a carga de um objeto é neutralizada pela eliminação do excesso de cargas positivas ou negativas por meio da Terra, dizemos que o objeto foi descarregado. Se você usar uma luva feita de material isolante para segurar a barra de cobre, o caminho de condutores até a Terra estará interrompido e a barra ficará carregada por atrito (a carga permanecerá na barra) enquanto você não tocar nela com a mão nua. (2007, pág. 34) Eletrização por Contato A eletrização por contato ocorre, de forma mais eficaz, nos condutores. Neles, as cargas tendem a ficar na superfície externa – posição nas quais elas estão o mais distante possível umas das outras. A este respeito, Ramalho informa: Colocando-se em contato dois condutores A e B, um eletrizado (A) e outro neutro (B), B se eletriza com carga de mesmo sinal que A. De fato, se A está positivamente eletrizado, ao entrar em contato com B atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua positivamente eletrizado, mas com uma carga menor, e B que estava neutro, fica positivamente eletrizado. (2007, pág. 6) 13 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Observe com o processo ocorre, nas representações abaixo: Fonte: Ramalho, pág. 6 Descrição das figuras: (a) A positivo e B neutro estão isolados e afastados; (b) colocados em contato, durante breve intervalo de tempo, elétrons livres vão de B para A; (c) após o processo, A e B apresentam- se eletrizados positivamente. Quando ocorre a eletrização por contato, ao final da distribuição de energia ambos os corpos envolvidos no processo apresentarão cargas de sinais iguais. Quando se tem uma esfera metálica descarregada, oca, com uma abertura que permite a introdução de um objeto carregado com uma carga –Q, independetemente do local que for tocado pelo objeto, as cargas irão para o lado exterior da esfera, visto que as cargas ficarãoo mais distante possível umas das outras. Quando duas esferas entram em contato possuindo cargas elétricas distintas e ambas são condutoras, a tendência é que as cargas se distribuam entre os corpos. Tal distribuição, entretanto, não se dará de modo igual entre as esferas caso seu raio seja diferente. Fonte: Os Fundamentos da Física Conforme Machado e Canto: A carga final de cada corpo, quando forem esféricos, é proporcional ao raio de cada esfera. 14 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS [...] a divisão de cargas não depende do material do qual as esferas são feitas. Basta que elas sejam condutoras. Além disto, descrevem quatro características da eletrização por contato: 1. Se duas esferas A e B entram em contato e a esfera B estivesse eletrizada positivamente [...] a esfera A iria transferir uma quantidade de elétrons para a esfera B. A esfera A ficaria com carga positiva por ter perdido esses elétrons. 2. Após o contato entre corpos condutores eletrizados, estes adquirem cargas de mesmo sinal, sendo que o corpo de maior capacidade armazenará a maior carga. 3. Se ambos estão previamente eletrizados, a carga de cada um deles, após o contato, terá o sinal da carga daquele que tiver maior carga inicial em módulo. Se a soma das cargas iniciais for zero, as cargas finais dos corpos serão iguais a zero, independentemente do tamanho deles. 4. A eletrização por contato ocorre também entre corpos dielétricos. Porém, a troca de cargas se faz apenas no ponto onde os corpos se tocam, pois, sendo isolantes, a carga não pode se deslocar ao longo deles. (2017, pág. 74) Eletrização por Indução A eletrização por indução, também conhecida como eletrização por influência, diferente da eletrização por contato ou atrito acontece sem a necessidade do toque entre os corpos. Tendo uma esfera neutra e aproximando um bastão eletrizado negativamente as cargas positivas irão se aproximar do bastão pela atração e as cargas negativas irão para o lado oposto da esfera, sendo repelidas. Embora as cargas positivas e negativas estejam separadas a esfera irá permanecer neutra. Para eletrizar a esferar deve-se manter o bastão eletrizado próximo a ela e liga-la à Terra por meio de um fio condutor. Deste modo os elétrons irão fluir para a Terra. Em seguida desfaz-se a ligação à Terra e então, afasta-se o bastão da esfera. Confira nas imagens abaixo a representação do processo: 15 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Fonte: Mundo Educação Ainda conforme Machado e Canto, as principais características da eletrização por indução são: 1. O corpo que provoca a indução é chamado de indutor e sua carga não é afetada pelo processo. 2. O objeto que foi eletrizado, chamado de induzido, tem sinal de carga final sempre oposto ao sinal da carga do indutor. 3. Apenas objetos condutores podem ser eletrizados, de forma efetiva, por indução. 4. Não confundir o sismples fenômeno da indução com o processo de eletrização por indução. Induzir um objeto é fazer com que haja uma separação de cargas nesse objeto devido à aproximação de um corpo eletrizado. (2017, pág. 75) Um objeto pode ter suas cargas positivas e negativas separadas por indução e se manter eletricamente neutro, isto é, com carga total zero. Exercício Resolvido 5. A indução eletrostática consiste no fenômeno da separação de cargas em um corpo condutor (induzido), devido à proximidade de outro corpo eletrizado (indutor). Preparando-se para uma prova de física, um estudante anota em seu resumo os passos a serem seguidos para eletrizar um corpo neutro por indução, e a conclusão a respeito da carga adquirida por ele. Passos a serem seguidos: I. Aproximar o indutor do induzido, sem tocá-lo. II. Conectar o induzido à Terra. III. Afastar o indutor. IV. Desconectar o induzido da Terra. Conclusão: No final do processo, o induzido terá adquirido cargas de sinais iguais às do indutor. Ao mostrar o resumo para seu professor, ouviu dele que, para ficar CORRETO, ele deverá 16 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS a. inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está correta. b. inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está errada. c. inverter o passo I com II, e que sua conclusão está errada. d. inverter o passo I com II, e que sua conclusão está correta. e. inverter o passo II com III, e que sua conclusão está errada. Resolução: Conforme descrito na página anterior, é necessário que o indutor esteja próximo do induzido no momento da conexão dele à Terra e que ali permaneça até o fio terra ser desonectado, eletrizando assim o corpo induzido. Portanto, as opções “c”, “d” e “e” estão incorretas, por informarem uma inversão que não ofertará resultados caso se queira eletrizar o induzido. Além disso, a conclusão do aluno está errada, pois, como as cargas atraídas serão as opostas às do indutor, as cargas de sinais iguais a ele irão fluir para a Terra, logo, a alternativa “a” está errada. Portanto, a alternativa correta é a letra “b”. Exercício Resolvido 6. (UEL-PR) Corpos eletrizados ocorrem naturalmente em nosso cotidiano. Um exemplo disso é o fato de algumas vezes levarmos pequenos choques elétricos ao encostarmos em automóveis. Tais choques são devidos ao fato de estarem os automóveis eletricamente carregados. Sobre a natureza dos corpos (eletrizados ou neutros), considere as afirmações a seguir: I. Se um corpo está eletrizado, então o número de cargas elétricas negativas e positivas não é mesmo; II. Se um corpo tem cargas elétricas, então está eletrizado; III. Um corpo neutro é aquele que não tem carga elétrica; IV. Ao serem atritados, dois corpos neutros, de matérias diferentes, tornam-se eletrizados com cargas opostas, devido ao princípio de conservação de cargas elétricas; V. Na eletrização por indução, é possível obter-se corpos eletrizados com quantidades diferentes de cargas Sobre as afirmativas, assinale a alternativa CORRETA. a. Apenas as afirmativas I, II e III são verdadeiras. b. Apenas as afirmativas I, IV e V são verdadeiras. c. Apenas as afirmativas I e IV são verdadeiras. d. Apenas as afirmativas II, IV e V são verdadeiras. e. Apenas as afirmativas II, III e V são verdadeiras. 17 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Resolução: Se um corpo possuir o mesmo número de cargas positivas e negativas estará neutro, ou seja, possuirá cargas e não estará eletrizado, tornando assim a alternativa II falsa. Um corpo neutro possui o mesmo número de cargas positivas e negativas, portanto, a alternativa III é falsa. O restante das alternativas descreve corretamente os fenômenos eletrostáticos, portanto a alternativa correta é a letra “b”. Exercício Resolvido 7. (UERN- 2014) Num laboratório de Física, um professor realizou os três processos de eletrização. No final do primeiro processo, os pares de corpos utilizados ficaram eletrizados com cargas de sinais iguais. Já no final do segundo e terceiro processos, os corpos utilizados ficaram com cargas de sinais diferentes. É possível que os processos de eletrização realizados tenham sido, respectivamente: a. Indução, contato e atrito. b. Contato, indução e atrito. c. Indução, atrito e contato. d. Atrito, contato e indução. Resolução: Somente pelo fato de as cargas possuírem sinais iguais após o primeiro processo de eletrização sabe-se que ele ocorreu por contato. Os processos dois e três deixaram os pares de corpos com cargas opostas, não podendo ter sido realizado por contato, mas somente por atrito ou indução, descartando assim as alternativas “a”, “c” e “d”. Logo, a alternativa correta é a letra “b”.19 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 2. Força Elétrica Fonte: Abril2 Lei de Coulomb oi o físico francês Charles Augustin de Coulomb o primeiro a estabelecer uma relação quantitativa para a força elétrica. Por esse motivo a lei que calcula a força entre cargas pontuais recebe seu nome, em forma de homenagem pelas contribuições ao ramo de estudos que envolvem eletricidade. 2 Retirado em: https://exame.abril.com.br/ Outro ponto interessante é que no Sistema Internacional de Medidas (SI), a unidade de carga elétrica é o coulomb, representado pela letra “C”, também em homenagem ao físico. A aplicação da lei só se dá quando o objeto em estudo tem tamanho desprezível em relação à distância do outro objeto com o qual irá interagir, ou seja, trata-se de um F 20 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS ponto material, independentemente da carga que passará por ele. Por esta razão define-se a carga elétrica como pontual ou puntiforme. Conforme visto anteriormente as partículas possuem cargas que em contato com outras irão causar atração ou repulsão. A intensidade destas forças irá depender de alguns fatores. Entre eles podemos mencionar a distância em que as partículas se encontram e o valor do módulo do produto das cargas. Lei de Coulomb Fonte: Toda Matéria O módulo da força da repulsão exercida da carga +q1 sobre a carga +q2 é o mesmo módulo da força que a carga +q2 exerce sobre a carga +q1. O mesmo vale para a força de atração entre a carga +q1 e –q2, que será o mesmo que a atração entre -q2 e +q1. Conforme Machado e Canto: Essas duas forças constituem um par de ação e reação e, por isso, apresentam, sempre, o mesmo módulo, a mesma direção e sentidos opostos. Observe que a afirmação vale mesmo que as partículas tenham cargas de valores diferentes. (2017, pág. 83) A Lei de Coulomb é representada algebricamente através da fórmula: F = K ∙ 𝑄1 ∙𝑄2 𝑟2 Onde F representa a força elétrica, K a constante elétrica, Q1 e Q2 são as cargas das partículas eletrizadas e r2 a distância entre as partículas. O meio que mais permite a propagação da força elétrica entre cargas é o vácuo, e sua constante, chamada de K0 vale: K0 = 9,0 ∙ 109 N ∙ m2/C2 Machado e Canto ainda informam: A quantidade de carga elétrica contida em objetos eletrizados do nosso cotidiano (por atrito, por contato ou por indução) é muito pequena. Ela é da ordem de 10-6 C a 10-3 C. Por outro lado, a quantidade de carga que passa através de aparelhos elétricos usuais é enorme. Um chuveiro elétrico, funcionando durante 20 minutos, é 21 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS percorrido por uma quantidade de carga que varia de 24 000 C a 60 000 C. Assim, é usual trabalhar com múltiplos e submúltiplos dessa grandeza. A tabela a seguir fornece os mais usuais deles. (2017, pág. 84) Nome Potência de 10 Símbolo mega 106 M quilo 103 k mili 10-3 m micro 10-6 µ Adaptado de: Machado e Couto Outra tabela importante para a resolução de exercícios é a de conversão de medidas em unidades dervidas para a unidade padrão de distância no Sistema Internacional de Medidas (SI), a saber, o metro: Distância 1 mm 10-3 m 1 cm 10-2 m 1 dm 10-1 m Exercício Resolvido 8. Determine o módulo da força de interação entre duas partículas eletrizadas com +4 µC e -3 µC, estando elas no vácuo à distância de 6 cm uma da outra. Dado: constante eletrostática do vácuo K0 = 9,0 ∙ 109 N ∙ m2/C2. Resolução: Em primeiro lugar devemos inserir os valores na fórmula da Lei de Coulomb, lembrando, entretanto, que a força elétrica das cargas deve ser inserida na sua fórmula de módulo, ou seja, em valores positivos. Assim, a carga -3 µC será inserida na fórmula como 3 µC. Os valores apresentados em µC (lê-se microcoulomb) devem estar representados no modelo do Sistema Internacional de Medidas (SI), ou seja, em C (lê-se Coulomb). Utilizando a tabela anterior sabe-se que o valor é correspondente é 10-6, logo, 3 µC pode ser escrito como 3 ∙ 10-6 C e; 4 µC como 14 ∙ 10-6 C. A distância r, deve ser inserida no padrão do Sistema Internacional de Medidas (SI), ou seja, em metros. Para a conversão de centímetros em metros utilize-se da tabela anterior, logo, 6 cm é o mesmo que 6 ∙ 10-2 m. Substituindo os valores obtidos na fórmula teremos que: F = K ∙ 𝑄1 ∙𝑄2 𝑟2 F = 9,0 ∙ 109 ∙ 3 ∙ 10−6 ∙ 4 ∙ 10−6 (6 ∙ 10−2)2 Multiplicando os números intereiros e mantendo as potências de 10 teremos: 22 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS F = 9 ∙109 ∙ 3 ∙ 10−6 ∙ 4 ∙ 10−6 (6 ∙ 10−2)2 F = 108 ∙109 ∙ 10−6 ∙ 10−6 (6 ∙ 10−2)2 Utilizando as propriedades de potência sabe-se que ao multiplicar potências de mesma base, mantém- se a base e soma-se o expoente. De modo que o resultado será o seguinte: F = 108 ∙109+(−6)+(−6) (6 ∙ 10−2)2 F = 108 ∙10−3 (6 ∙ 10−2)2 Quanto à parte inferior da fração, trata-se isoladamente o número inteiro para posteriormente aplicar as propriedades de potência sobre a potência de base 10. O número 6 ao quadrado irá resultar em 36 e na potência de potência iremos multiplicar os expoentes e conservar a base, conforme exemplificado a seguir: F = 108 ∙10−3 (6 ∙ 10−2)2 F = 108 ∙10−3 36 ∙ 10−4 Realizando a divisão dos números inteiros o resultado será 3. Aplicando a propriedade de divisão de potências, preserva-se a base dez e subtraem-se os expoentes, como visto a seguir: F = 3 ∙ 10-3-(-4) F = 3 ∙ 101 F = 30 N Exercício Resolvido 9. Duas cargas elétricas puntiformes distam 1 mm uma da outra. Sendo Q1 = 2 nC e Q2 = 3 nC, calcule a intensidade da força de interação entre elas. Dado: K0 = 9,0 ∙ 109 N ∙ m2/C2. Resolução: Em primeiro lugar converte-se a medida das cargas elétricas de nC (lê-se nanocoulomb) para C (lê-se Coulomb), que é o padrão adotado pelo Sistema Internacional de Medidas (SI). Utilizando a tabela disponibilizada na página anterior sabe-se que o valor de 2 nC pode ser escrito como 2 ∙ 10-9 C; e que 3 nC pode ser escrito como 3 ∙ 10-9 C. Em seguida, utilizando a tabela de conversão da página anterior, converte-se a distância de mm (milímetros) para m (metros) que é o padrão de distância utilizado pelo SI. Logo, 1 mm será reescrito como 1 ∙ 10-3 m 23 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Tendo obtido os valores basta substituí-los na fórmula: F = K ∙ 𝑄1 ∙𝑄2 𝑟2 F = 9,0 ∙ 109 ∙ 2 ∙ 10−9 ∙ 3 ∙ 10−9 (1 ∙ 10−3)2 Multiplicando os números intereiros e mantendo as potências de 10 teremos: F = 9 ∙109 ∙ 2 ∙ 10−9 ∙ 3 ∙ 10−9 (1 ∙ 10−3)2 F = 54 ∙109 ∙ 10−9 ∙ 10−9 (1 ∙ 10−3)2 Utilizando as propriedades de potência sabe-se que ao multiplicar potências de mesma base, mantém- se a base e soma-se o expoente. De modo que o resultado será o seguinte: F = 54 ∙109+(−9)+(−9) (1 ∙ 10−3)2 F = 54 ∙10−9 (1 ∙ 10−3)2 Quanto à parte inferior da fração, trata-se isoladamente o número inteiro para posteriormente aplicar as propriedades de potência sobre a potência de base 10. O número 1 ao quadrado irá resultar nele mesmo e na potência de potência iremos multiplicar os expoentes e conservar a base, conforme exemplificado a seguir: F = 54 ∙10−9 (1 ∙ 10−3)2 F = 54 ∙10−9 1 ∙ 10−6 Realizando a divisão dos números inteiros o resultado será 54, pois todo número dividido por 1 resulta nele mesmo. Aplicando a propriedade de divisão de potências, preserva-se a base dez e subtraem-se os expoentes, como visto a seguir: F = 54 ∙ 10-9-(-6) F = 54 ∙ 10-3 N Ou, em notação científica: F = 5,4 ∙ 10-2 N É importante ressaltar duas diferenças entre as leisde newton e as leis de coulomb informadas por Machado e Couto (2017, pág. 86): 1. A força elétrica pode ser atrativa ou repulsiva, enquanto a força gravitacional é sempre atrativa; 2. A constante K depende do meio, enquanto a constante G é independente dele, ou seja, o seu valor é o mesmo em qualquer lugar do Universo. 25 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 3. Campo Elétrico Fonte: UEMG3 Campo Gravitacional campo gravitacional é a atração gerada pela massa de um corpo que é exercida sobre outros. Um exemplo da importância do campo gravitacional é que ele é o responsável por nos manter fixos à Terra, nos puxando ao seu centro, de modo que não flutuamos em direção ao vácuo do espaço. Quando um objeto está em movimento retilíneo uniforme ou é lançado a partir da atmosfera de modo a atingir certa distância do centro da Terra, a atração 3 Retirado em: http://www.uemg.br/ gravitacional não o permitirá viajar indefinidamente espaço afora, mas o manterá em órbita, como ocorre com a nossa Lua. Fonte: Mundo Educação O 26 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Ramalho faz uma analogia entre o campo gravitacional da Terra e o campo elétrico: [...] um corpo de prova de massa m, colocado num ponto P próximo da Terra (suposta estacionária), fica sujeito a uma força atrativa P = mg (peso do corpo). lsso significa que a Terra origina, ao seu redor, o campo gravitacional que age sobre m. Nã fóÍmula P = mg notamos a presença de dois fatofes: a) fator escalar (m), que só depende do corpo sobre o qual a força se manifesta. b) fator vetorial (g), que exprime a ação no ponto P do responsável pelo aparecimento de tal força, nocaso, a Terra. O vetor g é denominado vetor aceleração da gravidade ou vetor campo gravitacional. A cada ponto P do campo gravitacional associa-se um vetor g. [...] No caso do campo elétrico, a força elétrica F que atua em g é também expressa pelo produto de dois fatores: a) fator escalar, que é análogo a m: é a carga de prova q colocada em P, na qual aparece a força elétrica F. b) fator vetorial, que depende da carga puntiforme Q ou das cargas (se o campo for produzido por uma distribuição de cargas) responsáveis pelo aparecimento da força F em P. (2007, pág. 37) Fonte: Ramalho, pág. 37. O campo gravitacional terrestre fornece uma força proporcional à massa do objeto que está sofrendo a sua ação, de modo que, dividindo a força empenhada em um objeto de massa maior por ele, ou a força empenhada em um objeto de massa menor por ele, chega-se ao mesmo valor, a saber a constante gravitacional. A força da gravidade é independente da massa do corpo que sofre sua ação. Campo Elétrico Halliday dá a seguinte definição de campo elétrico: O campo elétrico é um campo vetorial, já que contém informações a respeito de uma força, e as forças possuem um módulo e uma orientação. 27 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS O campo elétrico consiste em uma distribuição de vetores campo elétrico E, um para cada ponto de uma região em torno de um objeto eletricamente carregado. (2007, pág. 76) Ou seja, diferente das grandezas escalares que só precisam de um valor para que sejam determinadas as grandezas vetoriais, tais como o campo elétrico, irão necessitar de mais informações, como sentido e direção. Conforme Oliveira: O campo elétrico é uma propriedade física estabelecida em todos os pontos que estão sob a influência de uma carga elétrica (carga forte), tal que uma outra carga (carga de prova), ao ser colocada em um desses pontos, fica sujeita a uma força de atração ou de repulsão exercida pela carga fonte. (2018, s/n) Embora o campo elétrico não seja visível sua ação pode ser percebida quando se insere uma carga de teste em um dos pontos sobre sua influência. Naturalmente cargas iguais irão se atrair e cargas diferentes se repelir, demonstrando a existência do campo elétrico. A respeito deste assunto, Machado e Couto informam e trazem as seguintes ilustrações para facilitar o entendimento: Fonte: Bernoulli Na figura anterior, temos uma carga Q, positiva, criando um campo elétrico E no ponto P. Nesse ponto, foram colocadas duas cargas de prova que sofrem a ação do campo gerado por Q. É claro que a positiva sofre ação de uma força para a direita, e a negativa, de uma força para a esquerda. Fonte: Bernoulli Agora, temos uma carga –Q, negativa, gerando um campo elétrico E no ponto P. Nele, foram colocadas duas cargas de prova que sofrem a ação do campo criado por –Q. Você sabe que a positiva sofre ação de uma força para a esquerda, e a negativa, uma força para a direita. (2017, pág. 94) Fonte: Múltipla Escolha 28 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS A força de atração ou repulsão gerada por um campo elétrico é proporcional à carga colocada nele, logo, se a carga for maior, como consequência aumenta-se a força, e se for menor, diminui-se a força. O valor do campo elétrico será uma constante representada pela seguinte equação: E = 𝐹 𝑞 Onde E representa o valor do campo elétrico no ponto onde a carga está localizada, F a força de atração ou repulsão gerada pelo campo em relação à carga teste e q o valor da carga inserida no campo. Embora não seja a unidade utilizada pelo Sistema Internacional de Medidas (SI), é comum representar a intensidade do campo elétrico em N/C (lê-se newton por coulomb) visto que a força F é representada em newtons e a carga elétrica por coulomb. A direção das partículas em contato com o campo elétrico sempre será a mesma da força, e o sentido será o mesmo se a carga q for positiva e contrário se a carga q for negativa. Exercício Resolvido 10. Marque V para as alternativas verdadeiras e F para as falsas e em seguida assinale a alternativa que melhor corresponde à ordem correta. ( ) O campo elétrico é a região que envolve a carga elétrica que lhe dá origem, sendo que uma carga de prova aí colocada fica sujeita a uma força de natureza elétrica. ( ) O campo elétrico sempre tem a mesma direção da força elétrica. ( ) O campo elétrico sempre tem o mesmo sentido da força elétrica. ( ) Carga de prova é uma carga elétrica de valor conhecido utilizada para detectar a existência de um campo elétrico. ( ) Se a carga q for positiva, o campo elétrico e a força elétrica terão sentidos contrários. a. V – V – F – V – F. b. F – V – F – V – F. c. V – F – F – V – F. d. V – F – V – F – V. Resolução: O campo elétrico só tem o mesmo sentido da força elétrica quando a carga q é positiva, tornando assim a terceira afirmação incorreta. Baseado na informação mencionada anteriormente sabe-se que a quinta alternativa também é falsa, pois diz que uma carga positiva terá sentido contrário ao 29 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS campo elétrico, quando é exatamente o oposto. As demais alternativas estão corretas, portanto, a alternativa que melhor completa as lacunas é a letra “a”. Exercício Resolvido 11. Um campo elétrico apresenta em um ponto P de uma região a intensidade de 6 ∙ 105 N/C, direção horizontal e sentido da esquerda para direita. Determine a intensidade, a direção e o sentido da força elétrica que atua sobre uma carga puntiforme q, colocada no ponto P. a. Para q = 2 µC Resolução: Em primeiro lugar converte-se a carga elétrica de µC (lê-se microcoulomb) para C (lê-se coulomb) utilizando a tabela disponibilizada na página 21 obtendo-se 2 ∙ 10-6. Como o que quer se encontrar é a força elétrica, isola-se o valor F na fórmula: E = 𝐹 𝑞 F = q ∙ E Tendo a carga puntiforme q e do campo elétrico, basta substituiros valores na equação: F = 2 ∙ 10-6 ∙ 6 ∙ 105 Multiplicando os números intereiros e mantendo as potências de 10 teremos: F = 12 ∙ 10-6 ∙ 105 Utilizando as propriedades de potência sabe-se que ao multiplicar potências de mesma base, mantém- se a base e soma-se o expoente. De modo que o resultado será o seguinte: F = 12 ∙ 10-6+5 F = 12 ∙ 10-1 Ou, em notação científica: F = 1,2 N Como a direção da força é a mesma do campo elétrico ela também será horizontal Já o sentido, quando tratamos de cargas positivas, é o mesmo que o do campo elétrico, portanto, ele também ocorrerá da esquerda para a direita. b. Para q = -3 µC Resolução: Em primeiro lugar converte-se a carga elétrica de µC (lê-se microcoulomb) para C (lê-se coulomb) utilizando a tabela 30 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS disponibilizada na página 21 obtendo-se 3 ∙ 10-6. Lembrando que tal valor é obtido mesmo tratando-se incialmente de um valor negativo pois a carga é considerada em módulo. Como o que quer se encontrar é a força elétrica, isola-se o valor F na fórmula: E = 𝐹 𝑞 F = q ∙ E Tendo a carga puntiforme q e do campo elétrico, basta substituir os valores na equação: F = 3 ∙ 10-6 ∙ 6 ∙ 105 Multiplicando os números intereiros e mantendo as potências de 10 teremos: F = 18 ∙ 10-6 ∙ 105 Utilizando as propriedades de potência sabe-se que ao multiplicar potências de mesma base, mantém- se a base e soma-se o expoente. De modo que o resultado será o seguinte: F = 18 ∙ 10-6+5 F = 18 ∙ 10-1 Ou, em notação científica: F = 1,8 N Como a direção da força é a mesma do campo elétrico ela também será horizontal Já o sentido, quando tratamos de cargas negativas, é contrário ao do campo elétrico, portanto, ele ocorrerá da direita para a esquerda. 31 31 32 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 32 4. Referências Bibliográficas Alexandre Rigotti. Eletricidade e magnetismo. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015. OLIVEIRA, D. Eletrostática. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=ai_ TZefqpNM&list=PLNfWNKz4iEr9c7NUsj Xegm-RxrZ9o67hN>. Acesso em: 04 de maio de 2020. OLIVEIRA, D. Lei de Coulomb. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=SA - Olg9YHIY&list=PLNfWNKz4iEr9cSdO4v _TsL2tA0RwjBjki>. Acesso em: 06 de maio de 2020. Halliday, David, Resnick, Robert e Walker, Jearl - Fundamentos de Física – Vol. 3: Eletromagnetismo, Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2007. Machado, L. Canto, L. R. Física. Belo Horizonte: Editora Bernoulli, 2017. Ramalho, Nicolau, Toledo - Os Fundamentos da Física - Vol. 3 - 9a. edição - 2007 - Ed. Moderna. Young, Hugh D. Física III: eletromagnetismo / Young e Freedman; [colaborador A. Lewis Ford]; tradução Sonia Midori Yamamoto; revisão técnica Adir Moyses Luiz. — São Paulo: Addison Wesley, 2009. 03 3
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