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ELETRICIDADE BÁSICA 01/01/201 6 Disciplina de Eletricidade Básica Objetivos desta disciplina: Desenvolver o espírito científico e o raciocínio lógico. Fornecer ao aluno conhecimentos básicos sobre eletricidade desde a sua geração até a sua utilização. Compreender e interpretar as principais leis que regem os fenômenos físicos na aplicação dos princípios elétricos. Eletricidade Básica Página 1 Eletricidade Básica Caro Estudante: Convido você a participar da disciplina Eletricidade Básica. Nesta disciplina, você poderá aprender noções básicas de eletricidade e de instrumentos de medição. O conteúdo será abordado na seguinte ordem: Unidade I: Eletrostática Unidade II: Eletrodinâmica Unidade IV: Eletromagnetismo Na Unidade I: Eletrostática, refere-se ao comportamento das cargas elétricas em repouso e seu estudo engloba os processos de eletrização, campo elétrico, força eletrostática e potencial elétrico. Na Unidade II: Eletrodinâmica é a parte da Física que estuda as cargas elétricas em movimento. Veremos as aplicações de eletricidade. Assim, você terá condições de descobrir a importância da eletricidade em seu dia a dia. Esperamos que isso constitua estimulante para você aprofundar sua pesquisa sobre eletricidade. Na unidade IV: Eletromagnetismo é a parte da Física que relaciona a eletricidade e o magnetismo. Essa teoria baseia-se nos seguintes princípios: Cargas elétricas em movimento geram campo magnético e a variação de fluxo magnético produz campo elétrico. Portanto, esperamos que, ao final desta disciplina, você esteja habilitado a identificar os conceitos básicos de eletricidade, suas aplicações cotidianas e os instrumentos de medição. Então, dedique tempo para fazer a leitura, as atividades e retirar suas dúvidas. Sempre que considerar necessário, volte ao texto, refaça as atividades! Não se limite a este material, pois este é um suporte rápido para quem não tem acesso à bibliografia básica ou a outras obras de nível superior. Faça pesquisas, converse com professores e colegas. Você verá que aprender é uma interessante aventura! Bom estudo. Eletricidade Básica Página 2 PREFIXOS DE POTÊNCIA DE 10 Potência Prefixo Símbolo 𝟏𝟎𝟐𝟒 Yotta 𝑌 𝟏𝟎𝟐𝟏 Zetta 𝑍 𝟏𝟎𝟏𝟖 Exa 𝐸 𝟏𝟎𝟏𝟓 Peta 𝑃 𝟏𝟎𝟏𝟐 Tera 𝑇 𝟏𝟎𝟗 giga 𝐺 𝟏𝟎𝟔 Mega 𝑀 𝟏𝟎𝟑 Kilo 𝑘 𝟏𝟎𝟐 Hecto ℎ 𝟏𝟎𝟏 Deka da 𝟏𝟎−𝟏 Deci 𝑑 𝟏𝟎−𝟐 Centi c 𝟏𝟎−𝟑 Milli 𝑚 𝟏𝟎−𝟔 Micro 𝜇 𝟏𝟎−𝟗 Nano 𝑛 𝟏𝟎−𝟏𝟐 Pico 𝑝 𝟏𝟎−𝟏𝟓 Femto f 𝟏𝟎−𝟏𝟖 Atto a 𝟏𝟎−𝟐𝟏 Zepto z 𝟏𝟎−𝟐𝟒 yocto y Eletricidade Básica EL ET R IC ID A D E B Á S IC A 3 Maioria dos materiais é eletricamente neutra: não apresenta efeitos elétricos. Veremos neste capítulo que há meios de “carregar” eletricamente um corpo, ou seja, torna- lo eletrizado. Convivemos diariamente com várias ocorrências que comprovam a existência da eletricidade estática. Em dias secos, por exemplo, nosso corpo pode ficar carregado eletricamente ao caminharmos sobre um tapete. Em dias assim, também é comum nossos cabelos ficarem eletrizados ao nos pentearmos. Carga Elétrica O conceito de carga elétrica remonta à Antiguidade clássica. Há registros de que gregos esfregavam peles de carneiro com pedaços de âmbar, uma resina vegetal fóssil que, ao ser atritada, atrai os corpos que lhe estejam próximos. Se dois pedaços de âmbar forem atritados, porém, eles irão se repelir. A palavra elétrico vem do grego élektron, que significa âmbar-amarelo, pois se considerava essa propriedade de atrair corpos próximos, depois de atritados especificamente desse material. Vamos estudar diversos conceitos da eletrostática – parte da Física que se ocupa da análise de sistemas de cargas em equilíbrio. ESTRURURA DO ÁTOMO O menor valor de carga elétrica possível é do próton e do elétron e é chamado de carga elementar (e) qpróton = + 1,6. 10-19C qelétron = - 1,6. 10-19C A unidade de carga elétrica no SI: C (Coulomb), em homenagem a Charles Coulomb. CORPO ELETRIZADO 1. CARGA ELÉTRICA (Q) DE UM CORPO Um corpo eletrizado está sempre com falta ou excesso de certo número n de elétrons, o módulo de sua carga Q é múltiplo inteiro da carga elementar: 𝑸 = 𝒏 . 𝒆 𝑛: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 𝑒𝑚 𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑜𝑢 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑒: 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟 (1,6. 10−19 𝐶) A Corpo neutro np = ne Corpo Eletrizado positivamente np > ne Cedeu e- Corpo eletrizado negativamente np < ne Recebeu e- 1. Carga Elétrica 2. Processos de Eletrização 3. Lei de Coulomb 4. Campo Elétrico Capítulo 1 Eletricidade Básica Página 4 1.1 PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA 1.1.1 Princípio da atração e repulsão Verifica-se experimentalmente que cargas elétricas de mesmo sinal se repelem; cargas de sinais contrários se atraem. IMPORTANTE: Entre um corpo carregado e outro eletricamente neutro haverá atração. 1.1.2 Princípio da conservação das cargas Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas positivas as negativas é sempre constante. 𝑸𝟏 + 𝑸𝟐 = 𝑸 ′ 𝟏 + 𝑸 ′ 𝟐 Obs.: se a troca de cargas for por contato e os corpos forem idênticos, a carga final de cada um será a mesma e dada por: 𝑸′ = 𝑸𝟏 + 𝑸𝟐 𝟐 2. PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO Um processo de eletrização se caracteriza por uma transferência (ganho ou perda) de elétrons de um corpo inicialmente neutro. O corpo pode ficar eletrizado por atrito, por contato ou por indução. a. Eletrização por Atrito Ao atitar dois corpos estamos fornecendo energia para que haja transferência de elétrons de um para o outro. Experimentalmente, podemos elaborar uma tabela para prever o sinal que cada substância adquire quando atritada com outro material. Esse tipo de tabela é conhecido como série triboelétrica. b. Eletrização por Contato O simples contato de um corpo neutro com um corpo previamente eletrizado provoca uma eletrização por contato. OBSERVAÇÕES *Após o contato, as quantidades de carga elétrica (Q) são proporcionais às dimensões do corpo. **Na eletrização por contato os corpos adquirem cargas de mesmo sinal. c. Eletrização por Indução Sabemos que um corpo é eletricamente neutro quanto o número de prótons é igual ao número de elétrons. Etapas para eletrização por indução: Aproxima-se um bastão eletrizado de um corpo neutro. Aterra-se o corpo neutro que deve ser condutor (elétrons que haviam se deslocado dentro do condutor descem pelo fio terra, procurando se afastar ainda mais do bastão). Corta-se a ligação do induzido com a Terra. Afasta-se o indutor. Eletricidade Básica EL ET R IC ID A D E B Á S IC A 5 Obs.: A carga final do induzido é de sinal contrário ao da carga elétrica do indutor. CARGA ELÉTRICA PUNTUAL (OU PONTUAL) A carga elétrica puntiforme, na prática, é um corpo pequeno com dimensões desprezíveis, e que se encontra eletrizado. 3. FORÇA ELÉTRICA (LEI DE COULOMB) Já sabemos que entre cargas elétricas existe uma força elétrica F, podendo ser de atração ou repulsão, o que depende do sinal das cargas. Além disso, pelo princípio da ação e reação, a intensidade da força que uma carga elétrica exerce sobre a outra é a mesma.A LEI DE COULOMB ESTABELE QUE: “A intensidade da força elétrica entre duas cargas elétricas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos módulos dessas cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separam.” �⃗⃗� = 𝒌. |𝑸|. |𝒒| 𝒅𝟐 Onde: |𝑄| 𝑒 |𝑞| → Módulo das cargas elétricas. 𝑑 → Distância entre as cargas elétricas. 𝑘 → Constante elétrica (ou eletrostática). Depende do meio em que as cargas estão localizadas. 𝑘 = 9. 109 𝑁.𝑚2 𝐶2 (𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑣á𝑐𝑢𝑜, 𝑛𝑜 𝑆. 𝐼. ) OBS: Como a intensidade F da força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância d entre as cargas, o gráfico F x d será: 4. CAMPO ELÉTRICO A força gravitacional e a força eletrostática são forças que atuam à distância, isto, a força surge ainda que os corpos não estejam em contato. Tais forças são denominadas de forças de campo. A ideia de uma força atuando à distância trouxe grandes dificuldades para os pensadores antigos. Até mesmo Isaac Newton não se sentia confortável com a ideia quando publicou sua lei da gravitação Universal. PENTEDO, Paulo Cesar. Conceitos e Aplicações. Ed. Moderna 4.1 DEFINIÇÃO DE CAMPO ELÉTRICO De forma simples e objetiva podemos definir o campo elétrico como uma região do espaço que envolve a carga elétrica. E nessa região qualquer carga colocada ficará sujeita à ação de uma força elétrica. Eletricidade Básica Página 6 4.2 DEFINIÇÃO DE VETOR CAMPO ELÉTRICO O vetor campo elétrico é uma grandeza que mede o poder de força sobre as cargas elétricas que estão inseridas nesse campo. �⃗⃗� = �⃗⃗� 𝒒 �⃗� : intensidade do campo elétrico 𝐹 : Força elétrica 𝑞: carga que recebe a força (carga de prova) Unidade de campo: 𝑁 𝐶⁄ (Newton por Coulomb) 4.3 CAMPO ELÉTRICO DE CARGA Q 𝑬 = 𝒌 |𝑸| 𝒅𝟐 𝑘: constante eletrostática 𝑄: carga geradora 𝑑: distância entre a carga e o ponto 4.4 LINHAS DE FORÇA Para representar de maneira simplificada o campo elétrico, é comum usar-se o recurso de linhas de força. Elas são linhas orientadas que, em cada ponto, apresentam a direção o sentido do vetor campo elétrico. Se Q > 0: as linhas saem da carga Se Q < 0: as linhas entram na carga. Observação Se q > 0: mesmo sentido para força (F) e campo (E) Se q<0: sentidos contrários para a força (F) e campo (E) 4.5 CAMPO ELÉTRICO DE VÁRIAS CARGAS O campo resultante, num ponto P, será a soma vetorial dos campos produzidos por cada uma das cargas naquele ponto. O campo resultante em P é dado pela soma: 𝑬𝑷⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝑬𝟏 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝑬𝟐⃗⃗ ⃗⃗ + 𝑬𝟑⃗⃗ ⃗⃗ 4.6 CAMPO ELÉTRICO UNIFORME Para produzi-lo, precisamos de duas placas paralelas, carregadas com sinais opostos e bem próximas, de modo que a distância entre elas seja muito menor que o comprimento das placas. Eletricidade Básica EL ET R IC ID A D E B Á S IC A 7 Se as placas forem grandes e bem próximas, as linhas de campo serão paralelas e igualmente espaçadas; teremos assim um campo elétrico uniforme. EXERCÍCIOS 1. (PUC –MG) Existem dois tipos de cargas ele tricas: as cargas positivas e as negativas. Indique a opça o CORRETA: a) Cargas positivas se atraem, e cargas negativas se repelem. b) Cargas positivas se repelem, e cargas negativas se atraem. c) Cargas de mesmo sinal se repelem, e cargas de sinais opostos se atraem. d) Na o importam os sinais das cargas, elas va o sempre se atrair. 2. Um corpo eletrizado positivamente apresenta a quantidade de carga de 480 µC. Calcule o nu mero de ele trons perdidos pelo corpo, inicialmente neutro. Dado: 𝑒 = 1.6. 10−19𝐶. 3. Os corpos eletrizados por atrito e por contato ficam carregados respectivamente com cargas ele tricas de sinais: a) iguais, iguais b) iguais, iguais c) contra rios, contra rios d) contra rios, iguais 4. (PUC-SP) Dispo e-se de uma barra de vidro, um pano de la e duas pequenas esferas condutoras, A e B, apoiadas em suportes isolados, todos eletricamente neutros. Atrita-se a barra de vidro com o pano de la , a seguir coloca-se a barra de vidro em contato com a esfera A e o pano com a esfera B. Apo s essas operaço es: a) o pano de la e a barra de vidro estara o neutros. b) o pano de la atraira a esfera A c) as esferas A e B continuara o neutras. d) a barra de vidro repelira a esfera B. e) as esferas A e B se repelira o. 5. Um corpo inicialmente neutro e eletrizado com carga Q = 32 µC. Qual o nu mero de ele trons retirados do corpo? Dado: e = 1,6. 10-19 C. 6. Duas cargas ele tricas, Q1 = 1μC e Q2 = 4μC, esta o separadas por uma dista ncia de 0,3m, no va cuo. Determine a intensidade da força ele trica de repulsa o entre as cargas 7. Duas cargas puntiformes, 𝑞1 e 𝑞2, sa o fixadas nos pontos A e B, distantes entre si 0,6 m, no va cuo. Sendo 𝑞1 = 2. 10 −6 𝐶, e 𝑞2 = 8. 10 −6 𝐶 e 𝑘 = 9. 109 𝑁𝑚2𝐶−2, determine a intensidade da força ele trica resultante sobre uma carga 𝑞3 = −2. 10−6 𝐶, colocada a 0,2 m de A, sobre a reta AB 8. Tre s cargas ele tricas pontuais carregadas positivamente esta o alinhadas, dispostas conforme a figura. As cargas q1 e q2 esta o fixas. Sabendo-se que q1 = 4q2, qual deve ser a dista ncia x da terceira carga para que fique em equilí brio entre q1 e q2? 9. A que dista ncia devem ser colocadas duas cargas positivas e iguais a 𝟏𝝁𝑪 no va cuo, para que a força ele trica de repulsa o entre elas tenha intensidade de 0,1 N? 10. Uma partí cula de carga ele trica 𝑞 = 3. 10−8𝐶, colocado num ponto P localizada a 3m de uma carga Q, no va cuo, sofre a aça o de uma força de mo dulo 𝐹𝑒 = 1,5. 10 −2𝑁. Sendo a constante eletrosta tica do va cuo 𝑘 = 9. 109 𝑁.𝑚2 𝐶2 . 11. Uma esfera condutora, carregada com carga 𝑞 = 12𝜇𝐶, e aproximada de uma outra ide ntica, sem carga, ate uma dista ncia d, conforme a figura. Nessa situaça o, e observada uma força de atraça o entre essas esferas. a) Indique as forças que atuam nas esferas. b) Que tipo de eletrizaça o ocorreu quando as esferas foram aproximadas uma da outra? c) Considere que, em seguida, as esferas sa o afastadas, sem que tenha havido contato entre elas. Nesse caso, quais sera o as cargas finais, q1 e q2, de cada uma das Eletricidade Básica Página 8 esferas, quando estiverem infinitamente longe uma da outra? d) Quais seriam as cargas finais, q1 e q2, de cada uma das esferas, caso elas tivessem estado em contato. 12. Determine a intensidade do campo ele trico, num ponto situado a 3,0 mm de uma carga ele trica puntiforme Q = 2,7 µC. 13. Determine a intensidade do campo produzido por uma carga ele trica de 16 µC, localizada no va cuo, a uma dista ncia de 0,01 m da carga. 14. Uma carga 𝑄 = −4𝜇𝐶, fixa, encontra-se no va cuo, conforme indica a figura. Determine: A intensidade, a direça o e o sentido do campo ele trico num ponto P situado a 20 cm da carga. Eletricidade Básica EL ET R IC ID A D E B Á S IC A 9 1. Potencial Elétrico (V) A tensão elétrica (V), que também é medida em volt (V) é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. A tensão elétrica indica o trabalho que deve ser feito, por unidade de carga, contra um campo elétrico para se movimentar uma carga qualquer.Separando um corpo neutro em duas regiões com cargas opostas cria-se uma tensão elétrica entre essas regiões. Considere um ponto P a uma distância d de uma carga puntiforme Q. Além do vetor elétrico �⃗� , a carga puntiforme também cria no ponto P uma grandeza escalar, denominada potencial elétrico V, dado por: 𝑽 = 𝒌.𝑸 𝒅 Unidade de V, no SI: V (volt). Obs.: Sendo o potencial elétrico V uma grandeza escalar, leva-se em consideração o sinal da carga puntiforme Q. Ou seja, o potencial elétrico poderá ser positivo ou negativo, dependendo do sinal da carga Q. Quando uma carga de prova é submetida a uma tensão elétrica, ela move-se da região de maior potencial para a região de menor potencial. A tensão elétrica é a grande responsável pelo surgimento da corrente elétrica. 1.1 Potencial de várias cargas Puntiformes O potencial resultante de um certo ponto, devido à ação de várias cargas, é a soma algébrica dos potenciais individuais das mesmas cargas, naquele ponto. 𝑉𝑃 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 + 𝑉4 ⇒ 𝑽𝑷 = 𝒌 . ( 𝑸𝟏 𝒅𝟏 + 𝑸𝟐 𝒅𝟐 + 𝑸𝟑 𝒅𝟑 + 𝑸𝟒 𝒅𝟒 ) 1.2 Superfícies Equipotenciais Capítulo 2 POTENCIAL ELÉTRICO 1. Potencial Elétrico 2. Trabalho da Força Elétrica 3. Diferença de Potencial (ddp) A cada ponto de um campo elétrico asssocia-se a grandeza escalar potencial elétrico. Por meio desta grandeza pode-se calcular o trabalho da força elétrica, assim como analisar o comportamento de cargas elétrica abandonadas num campo elétrico. Eletricidade Básica Página 10 Toda superfície cujos pontos apresentam o mesmo potencial elétrico. As linhas de força são perpendiculares às superfícies equipotenciais. 2. Trabalho da Força Elétrica Imagine uma carga Q gerando um campo elétrico ao seu redor, conforme a figura a seguir. Se uma carga de prova q é deslocada do ponto A ao ponto B, a força elétrica realiza um trabalho dado por: 𝜏𝐴𝐵 = 𝑞. (𝑉𝐴 − 𝑉𝐵) 𝜏𝐴𝐵 → Trabalho realizado pela força elétrica 𝐹 no deslocamento da carga puntiforme q entre A e B. (unidade: J – Joule) 𝑉𝐴, 𝑉𝐵 → Potenciais elétricos dos pontos A e B. 3. Diferença de Potencial (ddp) Pela expressão anterior, vemos que o trabalho e diretamente proporcional à diferença de potencial 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵. A partir de agora, isso torna a diferença de potencial (ddp), também conhecida como tensão elétrica, uma grandeza fundamental para a analise do movimento das cargas num campo elétrico. 𝑈𝐴𝐵 = 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 A expressão do trabalho passa a ser escrita resumidamente como: 𝜏𝐴𝐵 = 𝑞. 𝑈𝐴𝐵 Diferença de Potencial (ddp) É a medida da quantidade de energia elétrica que é cedida à carga elétrica que atravessa um gerador. Quando se diz que um chuveiro está ligado a uma tomada de 220V, significa que, sobre cada Coulomb de carga elétrica que o percorre, a força elétrica realiza 220J de trabalho. 3.1 ddp em Campo Elétrico Uniforme Num campo uniforme, produzido na região entre duas placas condutoras paralelas de cargas opostas, a ddp entre dois pontos é proporcional à distância entre as superfícies equipotenciais que passam por esses pontos. Como o campo elétrico �⃗� e a força 𝐹 , que agem na carga q, são constantes, o trabalho realizado pela força 𝐹 pode ser calculado pela expressão geral do trabalho: 𝜏𝐴𝐵 = 𝐹. 𝑑 Como 𝐹 = 𝑞. 𝐸 (1) e 𝜏𝐴𝐵 = 𝑞. (𝑉𝐴 − 𝑉𝐵) (2) Igualando (1) e (2): 𝑞. (𝑉𝐴 − 𝑉𝐵) = 𝑞. 𝐸𝑑 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 = 𝐸. 𝑑 𝑈𝐴𝐵 = 𝐸 . 𝑑𝐴𝐵 𝑜𝑢, 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑑 = 𝑈 Eletricidade Básica EL ET R IC ID A D E B Á S IC A 11 𝐸 → Intensidade do campo elétrico uniforme (unidade V/m volt por metro) 𝑈 → Diferença de potencial Observe que a força elétrica é conservativa, isto é, o trabalho entre dois pontos independe da trajetória usada para realizar o deslocamento. EXERCÍCIOS 1. Determine a intensidade do Potencial Elétrico produzido por uma carga elétrica de 15𝜇C, localizada no vácuo, a uma distância de 0,01m da carga. 2. Determine a intensidade do Potencial Elétrico produzido por uma carga elétrica de 13 nC, localizada no vácuo, a uma distância de 0,1m da carga. 3. Num determinado ponto P do campo elétrico criado por uma carga pontual, o potencial é 𝑉𝑝 = 1.200𝑉 e a intensidade do vetor campo elétrico 𝐸𝑝 = 800𝑉 𝑚⁄ . Qual o valor da carga Q? 4. Na fissão nuclear, um núcleo de urânio 235 captura um nêutron e se divide em núcleos mais leves. Em algumas fissões, os produtos são um núcleo de bário ( carga 56e) e um outro de criptônio (carga 36e). Imaginemos que estes núcleos sejam cargas puntiformes positivas e que estejam separados por 𝑑 = 14,6. 10−15𝑚. Calcular a energia, em elétrons-volt, deste sistema de duas cargas puntiformes.
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