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Cargas elétricas Física Teórica e Experimental III Profa. Sandra Pedro Eletromagnetismo • Combinação dos fenômenos elétricos e magnéticos Eletromagnetismo • Grécia/China: início dos estudos dos fenômenos eletromagnéticos Fenômenos de atração e repulsão elétrica – âmbar (resina fóssil)) Fenômenos magnéticos Magnetita Fe3O4 (Imã Natural) elektron = âmbar (grego) magnético → Magnésia (região da Grécia rica em magnetita) Eletromagnetismo • Estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos Hans Christian Oersted Físico e Químico Dinamarquês (1777-1851) Unificação da eletricidade e magnetismo 1820 - Uma corrente elétrica em um fio é capaz de mudar a direção da agulha de uma bússola Eletromagnetismo • Estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos Michael Faraday Físico Inglês (1791-1867) Experimentos de eletricidade e magnetismo Indução eletromagnética: campos magnéticos variáveis com o tempo produzem campos elétricos *Cosmos E10 Eletromagnetismo • Estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos James Clerk Maxwell Físico e Matemático Escocês (1831-1879) Formulação matemática do eletromagnetismo Lei de Gauss Lei de Gauss (magnetismo) Lei de Faraday Lei de Ampère-Maxwell Carga elétrica • Propriedade intrínseca da matéria (associada à própria existência desta) • Dois tipos de cargas elétricas positiva (+) e negativa (-) Objeto eletricamente neutro ≠ Objeto eletricamente carregado Igualdade de cargas Desigualdade de cargas Objetos eletricamente carregados interagem exercendo forças sobre outros objetos força eletrostática (a) Bastões carregados com cargas de mesmo sinal Repulsão (b) Bastões carregados com cargas de sinais opostos Atração Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem Pergunta • A carga elétrica de um bastão de vidro após ser friccionado com um pedaço de seda é chamada de positiva: (a)Por convenção arbitrária; (b)Para se adequar às convenções adotadas para G e m de acordo com a lei da Gravitação de Newton; (c)Porque as cargas se repelem (d)Porque o vidro é isolante Pergunta • A carga elétrica de um bastão de vidro após ser friccionado com um pedaço de seda é chamada de positiva: (a)Por convenção arbitrária; (b)Para se adequar às convenções adotadas para G e m de acordo com a lei da Gravitação de Newton; (c)Porque as cargas se repelem (d)Porque o vidro é isolante Os termos foram escolhidos por Benjamin Franklin em 1750. Pergunta • Um isolante elétrico é um material: (a) Que não possui elétrons; (b) Através do qual os elétrons não se movimentam com facilidade; (c) Que tem mais elétrons que prótons na superfície; (d) Que não é um elemento químico puro; Condutores e isolantes • Condutores: Alta mobilidade de cargas elétricas • Semicondutores: propriedades intermediárias entre condutores e isolantes • Isolantes: Pouca ou nenhuma mobilidade de cargas Materiais são classificados de acordo com a facilidade com que a carga elétrica se move em seu interior • Supercondutores: Condutores perfeitos; cargas se movem sem resistência Condutores e Isolantes Materiais condutores possuem uma grande quantidade de elétrons livres, que são elétrons mais externos, fracamente ligados ao núcleo atômico. Em condutores (metais) – grande quantidade de elétrons livres Em isolantes – pequena (ou nenhuma) quantidade de elétrons livres Condutores e Isolantes Condutores – grande quantidade de elétrons livres Isolantes – pequena (ou nenhuma) quantidade de elétrons livres Pergunta • Um isolante elétrico é um material: (a) Que não possui elétrons; (b) Através do qual os elétrons não se movimentam com facilidade; (c) Que tem mais elétrons que prótons na superfície; (d) Que não é um elemento químico puro; Pergunta • Um isolante elétrico é um material: (a) Que não possui elétrons; (b) Através do qual os elétrons não se movimentam com facilidade; (c) Que tem mais elétrons que prótons na superfície; (d) Que não é um elemento químico puro; Pergunta • A diferença entre um condutor e um isolante com o mesmo número de átomos está no número de (a)Átomos livres (b)Elétrons livres (c)Elétrons (d)Prótons Pergunta • A diferença entre um condutor e um isolante com o mesmo número de átomos está no número de (a)Átomos livres (b)Elétrons livres (c)Elétrons (d)Prótons Condutores e Isolantes Átomos: formados por prótons (+), elétrons (-) e nêutrons (0). Apenas os elétrons possuem mobilidade para se mover dentro de um condutor – condutores possuem muitos elétrons de condução • Material positivamente carregado perdeu elétrons • Material negativamente carregado ganhou elétrons Unidade de carga elétrica: Coulomb (C) no SI 1 Coulomb é a quantidade de carga transportada por uma corrente elétrica que atravessa a seção reta de um fio em intervalo de tempo de 1 segundo 1C = 1 A.1 s (SI) Pergunta • Para tornar um objeto eletricamente neutro em positivamente carregado deve-se: (a)Remover nêutrons do objeto; (b)Adicionar nêutrons ao objeto; (c)Adicionar prótons ao objeto; (d)Remover elétrons do objeto. Pergunta • Para tornar um objeto eletricamente neutro em positivamente carregado deve-se: (a)Remover nêutrons do objeto; (b)Adicionar nêutrons ao objeto; (c)Adicionar prótons ao objeto; (d)Remover elétrons do objeto. Apenas os elétrons de condução podem se mover; prótons não possuem alta mobilidade. Processos de eletrização Eletrização por atrito • Nos pontos de contato entre os objetos, pequenas quantidades de carga são transferidas de um material para outro. • Após o atrito, ambos os corpos ficam eletricamente carregados. • Os dois corpos adquirem a mesma quantidade de carga em módulo, mas com sinais opostos. • Apenas a área atritada se torna carregada, e as partículas carregadas não são capazes de se deslocar para outras partes do material. Série Triboelétrica • Mostra quais materiais que possuem maior tendência a doarem ou receberem elétrons quando postos em contato • Mais abaixo: maior afinidade de receber elétrons • Mais acima: maior afinidade de perder elétrons *tribos = fricção (grego) Série Triboelétrica • Mostra quais materiais que possuem maior tendência a doarem ou receberem elétrons quando postos em contato • Mais abaixo: maior afinidade de receber elétrons • Mais acima: maior afinidade de perder elétrons • Ex: algodão e vidro Algodão → ganha e- Vidro → perde e- Série Triboelétrica • Mostra quais materiais que possuem maior tendência a doarem ou receberem elétrons quando postos em contato • Mais abaixo: maior afinidade de receber elétrons • Mais acima: maior afinidade de perder elétrons • Ex: âmbar e algodão? Eletrização por contato – comum entre condutores devido à mobilidade dos elétrons e- passam do neutro para o positivo e- passam do negativo para o neutro Eletrização com carga positiva Eletrização com carga negativa Eletrização por contato – comum entre condutores devido à mobilidade dos elétrons Eletrização por contato – comum entre condutores devido a mobilidade dos elétrons • Os corpos adquirem cargas de mesmo sinal • A quantidade de carga em cada corpo depende do tipo de material e seu tamanho • Para condutores idênticos, a carga de cada um depois do contato será a metade da carga inicial • Considerando que q1 e q2 sejam as cargas iniciais dos dois corposidênticos, temos: Onde Q1 e Q2 são as cargas finais dos dois corpos Pergunta • A figura mostra um par de esferas iguais que são colocadas em contato e depois separadas. As cargas das esferas estão indicadas. Qual o valor da carga elétrica da esfera inicialmente carregada com carga positiva após o contato? 0 +2q (a)Zero (b)+2q (c)+q (d)-4q Pergunta • A figura mostra um par de esferas iguais que são colocadas em contato e depois separadas. As cargas das esferas estão indicadas. Qual o valor da carga elétrica da esfera inicialmente carregada com carga positiva após o contato? 0 +2q (a)Zero (b)+2q (c)+q (d)-4q Eletrização por indução Objeto aterrado: quando estabelecemos um caminho entre o objeto e a Terra constituído por materiais condutores Objeto descarregado: quando a carga de um objeto é neutralizada pela eliminação do excesso de cargas positivas ou negativas através da Terra. Objeto eletricamente neutro Carga redistribuída: cargas de sinais opostos são atraídas para o objeto Aterramento elétrons em direção à Terra Excesso de carga (+) Não uniforme Esfera positivamente carregada Por indução Objeto carregado Lei de Coulomb • Experimentos com esferas carregadas em uma balança de torção. • A força elétrica entre as esferas carregadas faz com que estas sejam atraídas ou repelidas umas pelas outras. • O movimento das esferas torce o fio suspenso, e a partir do torque de restauração do fio torcido é possível quantificar a força. Charles Augustin de Coulomb Engenheiro e Físico Francês 1736-1806 Fio de torção Esferas carregadas Lei de Coulomb • Força eletrostática força de repulsão ou atração associada à carga elétrica Repulsão Atração Repulsão A Lei de Coulomb determina a força elétrica entre partículas carregadas • A força entre duas cargas puntiformes é exercida ao longo da linha entre as cargas • Ela varia com o inverso do quadrado da distância entre as cargas e é proporcional ao produto das cargas • Força repulsiva para cargas de mesmo sinal e atrativa para cargas de sinais opostos Charles Augustin de Coulomb Engenheiro e Físico Francês 1736-1806 Lei de Coulomb Ԧ𝐹 = 𝑘 𝑞1𝑞2 𝑟2 Ƹ𝑟 𝑘 = 1 4𝜋𝜀0 = 8,99.109𝑁. m2 C2 Constante de permissividade elétrica 𝜀0 = 8,85.10 −12 𝐶2 𝑁 . 𝑚2 𝐹 = 1 4𝜋𝜀0 |𝑞1||𝑞2| 𝑟2 q1 e q2 cargas das partículas r distância entre as cargas; Ƹ𝑟 vetor unitário que dá a direção da força Sempre desenhe o vetor Força com a origem na partícula (Válida apenas para cargas pontuais) Lei de Coulomb Ԧ𝐹 = 𝑘 𝑞1𝑞2 𝑟2 Ƹ𝑟 Exemplo • Calcule o módulo da força elétrica entre duas cargas pontuais q1 = 5.10 -6 C e q2 = -3.10 -7 C quando separadas por uma distância de 10 cm. A força eletrostática entre estas cargas é atrativa ou repulsiva? Exemplo • Calcule o módulo da força elétrica entre duas cargas pontuais q1 = 5.10 -6 C e q2 = -3.10 -7 C quando separadas por uma distância de 10 cm. A força eletrostática entre estas cargas é atrativa ou repulsiva? Resposta: 1,35 N. A força entre as cargas é de natureza atrativa, visto que são cargas com sinais opostos. Exemplo • Duas esferas condutoras de mesmo diâmetro (1 e 2) possuem cargas iguais a q e estão separadas por uma distância muito maior que seus diâmetros. A força eletrostática a que a esfera 2 está submetida devido à 1 é F. Uma terceira esfera igual às duas primeiras e inicialmente neutra é colocada em contato primeiro com a esfera 1 e depois com a esfera 2 e, finalmente, removida. A força eletrostática que a esfera 2 agora está submetida tem módulo F’. Qual é o valor da razão F/F’? Exemplo Exemplo q q q/2 q/2 q q/2 3q/4 3q/4 q/2 3q/4 Exemplo • Resposta: F/F’ = 8/3 q1 q2 Ԧ𝑟1 Ԧ𝑟2 Ԧ𝑟21 Força entre duas partículas • Força sobre q2 devido à q1 Carga q1 – posição Ԧ𝑟1 Ԧ𝑟1 = 𝑥1 Ƹ𝑖 + 𝑦1 Ƹ𝑗 + 𝑧1 𝑘 Carga q2 – posição Ԧ𝑟2 Ԧ𝑟2 = 𝑥2 Ƹ𝑖 + 𝑦2 Ƹ𝑗 + 𝑧2 𝑘 Ƹ𝑟21 = Ԧ𝑟21 𝑟21 Ԧ𝑟21 = Ԧ𝑟2 − Ԧ𝑟1 = Ԧ𝐹21 = 1 4𝜋𝜀0 𝑞1𝑞2 𝑟21 2 Ƹ𝑟21 Ԧ𝐹21 = 1 4𝜋𝜀0 𝑞1𝑞2 𝑟21 2 Ԧ𝑟21 𝑟21 Ԧ𝐹21 = 1 4𝜋𝜀0 𝑞1𝑞2 𝑟21 3 Ԧ𝑟21 Fornece a direção e o sentido da força eletrostática Ƹ𝑟21 = 𝑥2 − 𝑥1 Ƹ𝑖 + 𝑦2 − 𝑦1 Ƹ𝑗 + 𝑧2 − 𝑧1 𝑘 Força entre duas partículas • Força sobre a partícula em Ԧ𝑟 devido à partícula em Ԧ𝑟𝑖 Ԧ𝐹𝑞0𝑞𝑖 = 𝑞0𝑞𝑖 4𝜋𝜀0 (Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟𝑖) | Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟𝑖|3 qi q0 Ԧ𝑟𝑖 Ԧ𝑟 Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟𝑖 Ԧ𝐹 posição Ԧ𝑟 - posição onde deseja-se medir a força Ԧ𝑟 = 𝑥 Ƹ𝑖 + 𝑦 Ƹ𝑗 + 𝑧𝑘 Ponto Ԧ𝑟𝑖- posição da i-ésima carga que exerce força em q0 Ԧ𝑟𝑖 = 𝑥𝑖 Ƹ𝑖 + 𝑦𝑖 Ƹ𝑗 + 𝑧𝑖 𝑘 Lei de Coulomb As forças formam um par ação-reação ao longo da linha que une as cargas 𝑭21 = −𝑭12 q1 e q2 tem mesmo sinal força repulsiva q1 e q2 com sinais opostos força atrativa Ԧ𝐹 = 𝑘 𝑞1𝑞2 𝑟2 Ƹ𝑟 Lei de Coulomb Lei de Coulomb Razão entre a força elétrica e gravitacional • Determine a razão entre os módulos das forças elétrica e gravitacional exercida por um próton em um elétron de um átomo de hidrogênio. • Dados: • e = 1.6.10-19 C • mp= 1,67.10 -27 kg • me= 9,11.10 -31 kg • k = 1/4πε0= 9.10 9 N.m2/C2 • G = 6,67.10-11 N.m2/kg2 Razão entre a força elétrica e gravitacional • Determine a razão entre os módulos das forças elétrica e gravitacional exercida por um próton em um elétron de um átomo de hidrogênio. • Fe/Fg = 2,27.10 39 • A razão tão grande revela que os efeitos gravitacionais são muito pequenos quando se discutem interações atômicas ou moleculares Exemplo • O elétron e o próton de um átomo de hidrogênio estão separados em média por uma distância de aproximadamente 5,3.10-11 m. Calcule o módulo da força eletrostática de atração exercida pelo próton no elétron. Exemplo • O elétron e o próton de um átomo de hidrogênio estão separados em média por uma distância de aproximadamente 5,3.10-11 m. Calcule o módulo da força eletrostática de atração exercida pelo próton no elétron. • F = 8,2.10-8 N Princípio da Superposição Em um sistema de n partículas carregadas, as partículas interagem independentemente aos pares e a força que age sobre uma das partículas é dada pela soma vetorial exercida pelas demais partículas sobre esta partícula Ԧ𝐹1,𝑡𝑜𝑡 = Ԧ𝐹12+ Ԧ𝐹13+... + Ԧ𝐹1𝑛 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 Ԧ𝑟12 Ԧ𝑟13 Ԧ𝑟14 Ԧ𝑟15 Ԧ𝑟16 Ԧ𝑟17 Ԧ𝐹1,𝑡𝑜𝑡 = 1 4𝜋𝜀0 𝑞1𝑞2(Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟2) | Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟2|3 + 𝑞1𝑞3(Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟3) | Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟3|3 +⋯+ 𝑞1𝑞𝑛(Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟𝑛) | Ԧ𝑟 − Ԧ𝑟𝑛|3 Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (a)da força eletrostática exercida pelo elétron sobre o próton do meio; (b)Da força eletrostática exercida pelo outro próton sobre o próton do meio; (c)Da força total exercida sobre o próton do meio? Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (a)da força eletrostática exercida pelo elétron sobre o próton do meio; Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (a)da força eletrostática exercida pelo elétron sobre o próton do meio; Cargas de sinais opostos: força de natureza atrativa; o sentido da força vai em direção à carga negativa 𝑭𝒑𝒆 Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (b) Da força eletrostática exercida pelo outro próton sobre o próton do meio; Pergunta • A figuramostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (b) Da força eletrostática exercida pelo outro próton sobre o próton do meio; Cargas com o mesmo sinal: força de natureza repulsiva; o sentido da força vai em direção oposta à carga positiva 𝑭𝒑𝒑 Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (c) Da força total exercida sobre o próton do meio? Pergunta • A figura mostra dois prótons (p) e um elétron (e) sobre uma reta. Qual é o sentido (c) Da força total exercida sobre o próton do meio? É a soma total das outras duas forças, tem o sentido em direção à carga negativa 𝑭 = 𝑭𝒑𝒆 + 𝑭𝒑𝒑 Exercício Três cargas pontuais estão dispostas como mostra a figura. Determine: (a) o módulo e (b) o sentido da força elétrica aplicada à partícula na origem. + + - 5,00 nC 6,00 nC -3,00 nC 0,30 m 0,10 m x y Exercício Três cargas pontuais estão dispostas como mostra a figura. Determine: (a) o módulo e (b) o sentido da força elétrica aplicada à partícula na origem. + + - 5,00 nC 6,00 nC -3,00 nC 0,30 m 0,10 m x y R: módulo: F = 13,34.10-6 N direção: 77° (com relação ao eixo x negativo) ou 257° (com relação ao eixo x positivo) Exercício • Duas pequenas e idênticas esferas carregadas, cada uma com uma massa de 3,0.10-2 kg estão suspensas em equilíbrio. O comprimento L de cada corda é de 0,150 m e o ângulo θ é de 5,00o. Determine o módulo da carga em cada esfera. a a Exercício • Duas pequenas e idênticas esferas carregadas, cada uma com uma massa de 3,0.10-2 kg estão suspensas em equilíbrio. O comprimento L de cada corda é de 0,150 m e o ângulo θ é de 5,00o. Determine o módulo da carga em cada esfera. • q = 4,42.10-8 C a a Exercício • (Lista Q.4) As cargas puntiformes q1 e q2 estão situadas sobre o eixo x nos pontos x = -a e x = +a, respectivamente. (a)Qual deve ser a relação q1/q2 para que a força eletrostática resultante sobre uma carga pontual +Q colocada em x = +a/2 seja nula? (b)Repita (a) mas com a carga pontual +Q agora colocada em x = +3a/2. Exercício • (Lista Q.4) As cargas puntiformes q1 e q2 estão situadas sobre o eixo x nos pontos x = -a e x = +a, respectivamente. (a)Qual deve ser a relação q1/q2 para que a força eletrostática resultante sobre uma carga pontual +Q colocada em x = +a/2 seja nula? |q1|/|q2| = 9 (b)Repita (a) mas com a carga pontual +Q agora colocada em x = +3a/2. |q1|/|q2| = 25. Como Q está situada à direita de q1 e q2, q1 e q2 devem ter sinais opostos. Quantização da carga elétrica A carga elétrica é quantizada, na forma 𝑞 = 𝑛𝑒 Com n = ±1, ±2, ±3, ±4.... Onde e é a carga elétrica elementar e = 1,60218.10-19 C Partícula Símbolo Carga Elétron e -e Próton p +e Nêutron n 0 Quantização da carga elétrica A carga elétrica é quantizada, na forma 𝑞 = 𝑛𝑒 Com n = ±1, ±2, ±3, ±4.... Onde e é a carga elétrica elementar e = 1,60218.10-19 C Partícula Símbolo Carga Elétron e -e Próton p +e Nêutron n 0 Quarks – partículas com cargas fracionadas. São encontradas sempre ligadas e ainda não foram observadas isoladamente. Exercício • Duas partículas carregadas com cargas iguais estão a uma distância de 1 cm. Quantos elétrons são necessários em cada partícula para produzir uma força coulombiana de 9,8.10-3 N? Exercício • Duas partículas carregadas com cargas iguais estão a uma distância de 1 cm. Quantos elétrons são necessários em cada partícula para produzir uma força coulombiana de 9,8.10-3 N? • 65.109 elétrons Exercício • O módulo da força eletrostática entre dois íons iguais separados por uma distância de 5,0.10-10 m é 3,7.10-9 N. (a) Qual é a carga de cada íon? (b) Quantos elétrons estão faltando em cada íon (fazendo assim com que o íon possua uma carga elétrica diferente de zero)? Exercício • O módulo da força eletrostática entre dois íons iguais separados por uma distância de 5,0.10-10 m é 3,7.10-9 N. (a) Qual é a carga de cada íon? (b) Quantos elétrons estão faltando em cada íon (fazendo assim com que o íon possua uma carga elétrica diferente de zero)? Resposta: (a) 3,2.10-19 C; (b) 2 Conservação da carga elétrica A carga elétrica é conservada: a carga elétrica de um sistema isolado é constante. A carga total de um sistema não pode ser alterada sem a adição ou subtração de cargas. Decaimento alfa: 92 238𝑈 → 90 234𝑇ℎ + 2 4𝐻𝑒 Partícula alfa Conservação da carga elétrica Determine X nas seguintes reações nucleares: (a) 6 12𝐶 + 1 1𝐻 → 𝑋 (b) 7 15𝑁 + 1 1𝐻 → 2 4𝐻𝑒 + 𝑋 𝑝 𝑝+𝑛𝑋 Conservação da carga elétrica Determine X nas seguintes reações nucleares: (a) 6 12𝐶 + 1 1𝐻 → 𝑋 (b) 7 15𝑁 + 1 1𝐻 → 2 4𝐻𝑒 + 𝑋 Resposta: (a) 7 13𝑁; (b) 6 12𝐶 𝑝 𝑝+𝑛𝑋 Prefixos do Sistema Internacional Fator Prefixo Símbolo 1024 yotta Y 1021 zetta Z 1018 exa E 1015 peta P 1012 tera T 109 giga G 106 mega M 103 quilo k 102 hecto h 101 deca da Fator Prefixo Símbolo 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 mili 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
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