Cederj - Física - Eletromagnetismo e Ótica - Volume 1
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Cederj - Física - Eletromagnetismo e Ótica - Volume 1


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Eletromagnetismo e Ótica
1Módulo
Marco Moriconi
Luca Moriconi
Volume
.
Marco Moriconi
Luca Moriconi
Volume 1 - Módulo 1
Eletromagnetismo e Ótica
Apoio:
Material Didático
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M854e
Moriconi, Marco.
Eletromagnetismo e ótica. v.1 / Marco Moriconi, Luca 
Moriconi. \u2013 Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2010.
130p.; 21 x 29,7 cm.
ISBN: 978-85-7648-645-9
 1. Eletromagnetismo. 2. Cálculo vetorial. 3. Lei de Gauss. 
4. Energia eletrostática. 5. Lei de Biot-Savart. I. Moriconi, 
Luca. II. Título.
 CDD: 621.3
2010/1
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Marco Moriconi
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Sérgio Cabral Filho
Eletromagnetismo e Ótica
SUMÁRIO
Aula 1 \u2013 Introdução ao Eletromagnetismo ________________________________7
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 2 \u2013 Cálculo Vetorial ___________________________________________ 15
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 3 \u2013 O campo elétrico __________________________________________ 41
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 4 \u2013 A lei de Gauss ____________________________________________ 59
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 5 \u2013 Energia eletrostática e o potencial elétrico _______________________ 77
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 6 \u2013 Esta aula está em fase de elaboração
 
Aula 7 \u2013 O Campo Magnético _______________________________________ 99
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Aula 8 \u2013 A Lei de Biot-Savart _______________________________________ 115
 Marco Moriconi e Luca Moriconi
Volume 1 - Módulo 1
Introduc¸a\u2dco ao Eletromagnetismo
MO´DULO 1 - AULA 1
Aula 1 \u2013 Introduc¸a\u2dco ao Eletromagnetismo
Metas da Aula
\u2022 apresentar uma breve histo´ria do Eletromagnetismo;
\u2022 apresentar a organizac¸a\u2dco deste curso e o sistema de unidades a ser
utilizado.
Objetivos
Depois de estudar esta aula, voce\u2c6 devera´ saber:
\u2022 como o curso esta´ organizado;
\u2022 uma breve histo´ria do Eletromagnetismo;
\u2022 o sistema de unidades utilizado.
Eletromagnetismo: Por que e´ ta\u2dco importante?
Numa noite de chuva, os raios e rela\u2c6mpagos impressionam. Quando
o clima e´ muito seco, frequ¨entemente ocorrem pequenos choques ele´tricos
quando se toca um metal. Estamos circundados por aparelhos ele´tricos e
eletro\u2c6nicos. La\u2c6mpadas, geladeiras, celulares, aparelhos de som. As geladeiras
sa\u2dco decoradas com pequenos \u131´ma\u2dcs. Dois \u131´ma\u2dcs caseiros, quando postos pro´ximos
um do outro, exercem uma forc¸a palpa´vel, mas invis´\u131vel. Ha´ campos ele´tricos
e magne´ticos por toda parte. Agora, neste exato momento, voce\u2c6 esta´ envolto
em um tra´fico enorme desses campos, ondas de TV, ra´dio, radares, luz. Tudo
que enxergamos e´ propagado ate´ nossos olhos pela luz. O que todos esses
feno\u2c6menos te\u2c6m em comum e´ a sua descric¸a\u2dco cla´ssica, de forma unificada
em uma u´nica teoria. A teoria e´ o Eletromagnetismo, e as equac¸o\u2dces sa\u2dco as
equac¸o\u2dces de Maxwell.
O Eletromagnetismo cla´ssico e´ fruto do trabalho de um grande nu´mero
de pessoas que observaram, mediram e ponderaram sobre o que esses feno\u2c6me-
nos significavam. Se por um lado e´ imposs´\u131vel identificar exatamente quem
foram esses bravos empreendedores ao longo da Histo´ria, por outro e´ fa´cil
identificar quem elaborou uma teoria matematicamente consistente e com-
pleta do Eletromagnetismo cla´ssico: James Clerk Maxwell.
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CEDERJ
Introduc¸a\u2dco ao Eletromagnetismo
O Eletromagnetismo que estudaremos neste curso e´ a visa\u2dco unificada
de Maxwell, que se baseou em estudos de Ampe`re, Coulomb e especialmente
Faraday.
Um aspecto que e´ pouco ressaltado na ana´lise da contribuic¸a\u2dco de Maxwell
ao Eletromagnetismo, e mais geralmente a` F´\u131sica, e´ o fato de que houve uma
mudanc¸a de paradigma, substituindo a visa\u2dco microsco´pica, mecanicista, que
foi herdada de Newton, por uma visa\u2dco campista, na qual as quantidades
f´\u131sicas sa\u2dco descritas por campos que existem em cada ponto do espac¸o. Note
que isso e´ uma grande mudanc¸a da visa\u2dco newtoniana, na qual a dina\u2c6mica
das part´\u131culas e´ sempre analisada usando um agente (forc¸a) que atua em um
ponto. A visa\u2dco de Newton foi extremamente bem-sucedida na descric¸a\u2dco de
feno\u2c6menos que va\u2dco do movimento de um proje´til ao movimento de planetas,
mas na\u2dco conseguiu descrever os feno\u2c6menos eletromagne´ticos. Essa mudanc¸a
de ponto de vista foi uma contribuic¸a\u2dco nota´vel de Maxwell, inspirado nas
ide´ias intuitivas de Faraday.
O Eletromagnetismo tem um aspecto fascinante, por ser, ao mesmo
tempo, ta\u2dco aplicado e ta\u2dco profundo cientificamente. Veja por exemplo a carga
ele´trica. Existem tre\u2c6s propriedades bem conhecidas, mas que escondem um
grande miste´rio, ainda por ser resolvido:
\u2022 Cargas positivas e negativas. Sabemos que existem dois tipos de cargas
ele´tricas, denotadas positivas e negativas. Definir qual e´ positiva e/ou
negativa e´ uma questa\u2dco de convenc¸a\u2dco; o fato de elas se separarem em
duas classes distintas, na\u2dco. Se a carga q1 atrai q2 e q3, enta\u2dco q2 e q3 se
repelem. Assim, dizemos que q1 tem um sinal, positivo, por exemplo,
e que q2 e q3 te\u2c6m o sinal oposto a q1.
\u2022 Cargas se conservam. Isso significa que na\u2dco e´ poss´\u131vel criar carga
ele´trica. A carga total do universo e´ constante. Essa conservac¸a\u2dco de
carga total e´ chamada conservac¸a\u2dco global. Isso apenas na\u2dco impediria,
por exemplo, que uma carga desaparecesse em um ponto e aparecesse
da´\u131 a um ano-luz de dista\u2c6ncia do ponto original, pois a carga total ainda
seria constante. Na verdade, as cargas ele´tricas se conservam de uma
forma mais forte ainda, de uma forma local: um carga tem de ir de um
ponto a outro, ela na\u2dco pode simplesmente desaparecer.
\u2022 Cargas sa\u2dco quantizadas. Toda carga ele´trica observada no universo e´
um mu´ltiplo inteiro, positivo ou negativo, da carga do ele´tron. Esse
e´ um grande miste´rio, que ate´ hoje na\u2dco foi compreendido. O f´\u131sico
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Introduc¸a\u2dco ao Eletromagnetismo
MO´DULO 1 - AULA 1
ingle\u2c6s Paul A. M. Dirac (1902-1984) mostrou que a existe\u2c6ncia de cargas
magne´ticas,