RESUMO cap 21 livro Fundamentos de Física Halliday e Resnick

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O que é Física? 
O eletromagnetismo é a combinação de fenômenos elétricos e magnéticos que explica muitos fenômenos 
naturais. Além disso, mantêm coesos todos os átomos e moléculas do mundo como também produz o relâmpago, a 
aurora e o arco-íris. A física eletromagnética foi estudada pela primeira vez pelos filósofos da Grécia antiga, que 
descobriram que, se um pedaço de âmbar fosse friccionado e depois aproximado de pedacinhos de palha, a palha seria 
atraída pelo âmbar. Sabe-se que essa atração se da por uma força elétrica. Além disso, observaram também que, se um 
tipo de pedra (um ímã natural) fosse aproximado de um objeto de ferro, o objeto seria atraído pela pedra. Sabe-se que 
essa atração se da por uma força magnética. 
Foi apenas no ano de 1820, que Hans Christian Oersted descobriu uma ligação entre essas duas forças em uma 
demonstração para seus alunos de física: uma corrente elétrica em um fio é capaz de mudar a direção da agulha de uma 
bússola. Porém a base teórica sólida para o eletromagnetismo foi estabelecida em meados do século XIX quando James 
Clerk Maxwell colocou as ideias de Michael Faraday em forma matemática juntamente com muitas ideias próprias. 
Cargas Elétricas 
Experimento: Depois de esfregar um bastão de vidro com um pedaço de seda (em um dia de baixa umidade do 
ar), penduramos o bastão por um barbante. Esfregamos outro bastão de vidro com o pedaço de seda e o aproximamos 
do primeiro. Exercendo uma força de repulsão que faz com que o bastão pendurado recue sem que haja contato entre 
eles. 
Na segunda demonstração, substituímos o segundo bastão por um bastão de plástico que foi esfregado com um 
pedaço de lã. Dessa vez, a força exercida é de atração fazendo com que o bastão que está pendurado se aproxime do 
segundo bastão sem que haja contato entre eles. 
Explicação: As forças observadas nas duas demonstrações se devem à carga elétrica que é transferida para os 
bastões quando eles são esfregados com seda ou lã. A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas 
elementares de que são feitos todos os materiais, incluindo o vidro, o plástico, a seda e a lã. 
Dois Tipos de Carga: Existem dois tipos de carga elétrica, descritas por Benjamin Franklin como carga positiva e 
carga negativa. Na grande maioria dos objetos as cargas são compensadas e o objeto é eletricamente neutro, pois existe 
um número igual de partículas de carga positiva e de carga negativa e, portanto, a carga total é zero. 
Excesso de Carga: Normalmente, você está eletricamente neutro. Entretanto, se vive em uma região de clima 
seco, a carga do seu corpo pode ficar ligeiramente descompensada quando você anda em cima de certos tapetes. Ou 
você recebe carga negativa do tapete e fica negativamente carregado, ou perde carga negativa e fica positivamente 
carregado. Nos dois casos, você fica com excesso de carga. Em geral, você não nota que está com um excesso de carga 
até aproximar a mão de uma maçaneta ou de outra pessoa. Quando isso acontece, se o seu excesso de carga é 
relativamente grande, uma centelha elétrica liga você ao outro objeto, eliminando o excesso de carga. Essas centelhas 
podem ser incômodas ou mesmo dolorosas. O fenômeno não acontece nos climas úmidos porque o vapor d’água 
presente no ar neutraliza o excesso de carga antes que ele possa atingir níveis elevados. 
Partículas com cargas de mesmo sinal se repelem e partículas com cargas de sinais opostos se atraem. 
Demonstrações: Quando esfregamos o bastão de vidro com um pedaço de seda, uma pequena quantidade de 
carga negativa é transferida do vidro para a seda, deixando o bastão com um pequeno excesso de carga positiva. Faz-se 
isso para aumentar o número de pontos de contato e com isso aumentar a quantidade de carga transferida. 
Penduramos o bastão em um barbante para mantê-lo eletricamente isolado do ambiente, evitando que a carga em 
excesso seja transferida para outros objetos. Quando esfregamos o pedaço de seda em outro bastão, ele também fica 
positivamente carregado. Dessa forma, quando aproximados, os bastões se repelem. 
Já quando esfregamos o bastão de plástico com um pedaço de lã, uma pequena quantidade de carga negativa é 
transferida da lã para o plástico. Assim, quando aproximados, os dois bastões se atraem. 
Condutores e Isolantes 
Os materiais podem ser classificados de acordo com a facilidade com a qual as cargas elétricas se movem no seu 
interior. Nos condutores, as cargas elétricas se movem com facilidade. Já nos isolantes, as cargas não se movem. Nos 
semicondutores, conduzem eletricidade melhor que os isolantes, mas não tão bem como os condutores. E por fim os 
supercondutores são condutores perfeitos, materiais nos quais as cargas se movem sem encontrar nenhuma resistência. 
Condução de Eletricidade: Quando estabelecemos um caminho entre um objeto e a Terra, apenas com materiais 
condutores, dizemos que o objeto está aterrado. Já 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. E por fim, 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, ou seja, a carga permanecerá na barra enquanto você não tocar nela 
com a mão nua. 
Partículas Carregadas: O comportamento dos condutores e isolantes se deve à estrutura e às propriedades 
elétricas dos átomos. Os átomos são formados por três tipos de partículas e duas regiões. Os nêutrons, que não contém 
carga, e os prótons, que contém a carga positiva, se encontram no núcleo. Já os elétrons, que contém a carga negativa, 
se encontram na nuvem de elétrons próximo ao núcleo, pois os mesmos são atraídos pela carga oposta do próton. Sabe-
se que as cargas de um próton isolado e de um elétron isolado têm o mesmo valor absoluto e sinais opostos; um átomo 
eletricamente neutro contém o mesmo número de prótons e elétrons. 
Quando os átomos de um material condutor se unem para formar um sólido, alguns dos elétrons mais afastados 
do núcleo estão menos atraídos e, portanto, se tornam livres para vagar pelo material, deixando para trás íons positivos, 
que são chamados de elétrons de condução. Sabe-se que os materiais isolantes possuem um número muito pequeno, 
ou mesmo nulo, de elétrons de condução. 
Carga Induzida: quando um objeto, apesar de estar eletricamente neutro, possui algumas das cargas positivas e 
negativas separadas pela presença de uma carga próxima, dizemos que o objeto possui uma carga induzida. Isso ocorre 
quando, por exemplo, uma barra de plástico carregada negativamente atrai uma barra neutra de cobre, pois alguns 
elétrons de condução se acumulam na extremidade próxima enquanto outros elétrons são repelidos pela carga negativa 
para a extremidade oposta. Essa falta de elétrons faz com que a extremidade próxima fique com uma carga total 
positiva e, portanto, a força de atração que a barra de plástico exerce sobre ela é maior que a força de repulsão exercida 
sobre a outra extremidade da barra de cobre. 
Sabe-se que apenas os elétrons de condução, que possuem carga negativa, podem se mover enquanto os íons 
positivos permanecem onde estavam. Assim, para carregar um objeto positivamente é necessário remover cargas 
negativas. 
A Lei de Coulomb 
 Essa equação é válida apenas para partículas carregadas e para os poucos objetos que podem ser tratados como 
cargas pontuais. Porém para objetos macroscópicos, nos quais a carga está distribuída de modo assimétrico, precisamos 
recorrer a métodos mais sofisticados. 
Uma partícula carregada exerce uma força eletrostática sobre outra partícula carregada. A direção da força é a 
da reta que liga as partículas, mas o sentido dependedo sinal das cargas. Se as cargas das partículas têm o mesmo sinal, 
as partículas se repelem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a afastá-las. Se as cargas das partículas têm sinais 
opostos, as partículas se atraem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a aproximá-las. 
A equação usada para calcular a força eletrostática exercida por partículas carregadas é chamada de lei de 
Coulomb em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, que a propôs em 1785, com base em experimentos de 
laboratório. 
Em que r é a distância entre as partículas e k é uma constante positiva conhecida como constante eletrostática 
ou constante de Coulomb. 
Se q1 e q2 tiverem o mesmo sinal, o produto q1q2 será positivo e a força que age sobre a partícula 1 terá o 
mesmo sentido que r. Isso faz sentido, já que a partícula 1 estará sendo repelida pela partícula 2. Se q1 e q2 tiverem 
sinais opostos, o produto q1q2 será negativo e a força que age sobre a partícula 1 terá o sentido oposto ao de r. Isso 
também faz sentido, já que a partícula 1 estará sendo atraída pela partícula 2. 
Unidade: A unidade de carga do SI é o coulomb, que é definido a partir da unidade do SI para a corrente elétrica, 
o ampère. 
Módulo da Força: a constante eletrostática k é muitas vezes escrita na forma 
1/4πε0. 
Várias Forças: Como todas as forças discutidas neste livro, a força 
eletrostática obedece ao princípio da superposição. Suponha que existam n partículas 
carregadas nas vizinhanças de uma partícula que vamos chamar de partícula 1. Nesse 
caso, a força total a que a partícula 1 está submetida é dada pela soma vetorial. 
Teoremas das Cascas: 
Primeiro teorema das cascas: Uma partícula carregada situada do lado de fora de uma casca esférica com uma 
distribuição uniforme de carga é atraída ou repelida como se toda a carga estivesse situada no centro da casca. Supomos 
que a carga da casca é muito maior que a carga da partícula, o que permite desprezar qualquer redistribuição da carga 
da casca devido à presença da partícula. 
Segundo teorema das cascas: Uma partícula carregada situada no interior de uma casca esférica com uma 
distribuição uniforme de carga não é atraída nem repelida pela casca. 
Condutores Esféricos 
Se um excesso de cargas é depositado em uma casca esférica feita de material condutor, a carga se distribui 
uniformemente na superfície (externa) da casca. Assim, por exemplo, quando colocamos elétrons em excesso em uma 
casca esférica metálica, os elétrons se repelem mutuamente e se espalham pela superfície externa até ficarem 
uniformemente distribuídos, um arranjo que maximiza as distâncias entre os pares de elétrons em excesso. Nesse caso, 
de acordo com o primeiro teorema das cascas, a casca passa a atrair ou repelir uma carga externa como se todo o 
excesso de cargas estivesse no centro da casca. 
Quando removemos cargas negativas de uma casca esférica metálica, as cargas positivas resultantes também se 
distribuem uniformemente na superfície da casca. Assim, por exemplo, se removemos n elétrons, passam a existir n 
cargas positivas (átomos nos quais está faltando um elétron) distribuídas uniformemente na superfície externa da casca. 
De acordo com o primeiro teorema das cascas, a casca nesse caso também passa a atrair ou repelir uma carga externa 
como se todo o excesso de cargas estivesse no centro. 
A Carga É Quantizada 
Na época de Benjamin Franklin, a carga elétrica era considerada um fluido contínuo, uma ideia que foi útil para 
muitos propósitos. Hoje, porém, sabemos que, mesmo os fluidos “clássicos”, como a água e o ar, não são contínuos e 
sim compostos de átomos e moléculas; a matéria é quantizada. Os experimentos revelam que o “fluido elétrico” 
também não é contínuo e sim composto de unidades elementares de carga. Todas as cargas positivas e negativas q são 
da forma em que e, a carga elementar, tem o valor aproximado. 
A carga elementar e é uma das constantes mais importantes da natureza. Tanto o elétron como o próton 
possuem uma carga cujo valor absoluto é e (Tabela 21-1). (Os quarks, partículas elementares das quais são feitos os 
prótons e nêutrons, têm cargas de ±e/3 e ±2e/3, mas existem fortes indícios de que não podem ser observados 
isoladamente. Por esse motivo e por questões históricas, a carga elementar não é tomada como e/3.) 
A Carga É Conservada 
Quando esfregamos um bastão de vidro com um pedaço de seda, o bastão fica positivamente carregado. As 
medidas mostram que uma carga negativa de mesmo valor absoluto se acumula na seda. Isso sugere que o processo não 
cria cargas, mas apenas transfere cargas de um corpo para outro, rompendo no processo a neutralidade de carga dos 
dois corpos. Essa hipótese de conservação da carga elétrica foi proposta por Benjamin Franklin. 
Exemplo de conservação da carga: quando um elétron e– e sua antipartícula, o pósitron e+, sofrem um processo 
de aniquilação e se transformam em dois raios gama, ou seja, ondas eletromagnéticas de alta energia. Ao aplicar a lei de 
conservação da carga, devemos somar as cargas algebricamente, ou seja, levar em conta o sinal de cada uma. Nesse 
exemplo, a carga total do sistema é zero antes e depois do evento, dessa forma a carga é conservada. 
No processo inverso da aniquilação, a produção de um par, a carga também é conservada. Isso acontece porque 
um raio gama se transforma em um elétron e um pósitron.