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Professor: Adriano – Física. Revisão do que foi visto nas aulas anteriores: • Carga elétrica: É uma propriedade da matéria, assim como a massa. A carga elétrica macroscópica de um corpo surge em razão da diferença entre o número de prótons e elétrons, nesse caso dizemos que o corpo encontra-se carregado ou eletrizado. Por outro lado, quando a quantidade de elétrons e prótons for a mesma, dizemos que o corpo está neutro. Portanto, mesmo quando neutros, os corpos ainda apresentam cargas elétricas, entretanto, essas estão balanceadas. A carga elétrica tem origem em partículas subatômicas: os prótons apresentam o menor valor de carga positiva, enquanto os elétrons apresentam o menor valor de carga negativa. Os nêutrons, por sua vez, são partículas eletricamente neutras. Os prótons e elétrons apresentam exatamente esse valor de carga elétrica, cerca de 1,6.10-19 C. Portanto, quando um corpo está eletricamente carregado, sua carga é um múltiplo inteiro da carga fundamental, uma vez que a eletrização ocorre a partir da adição ou remoção de elétrons, visto que os prótons encontram-se ligados no interior dos núcleos atômicos. Q=n⋅e Q = carga elétrica (coulomb). n = número de elétrons em falta ou excesso. e = carga fundamental (1,6.10 – 19 ). • Carga Elétrica Puntiforme As chamadas “cargas elétricas puntiformes” correspondem aos corpos eletrizados cujas dimensões e massa são desprezíveis, se comparadas às distâncias que os afastam de outros corpos eletrizados. • Eletrização: É todo processo capaz de gerar uma diferença entre o número de cargas positivas e negativas de um corpo. Quando um corpo apresenta o mesmo número de cargas positivas e negativas, dizemos que ele está neutro; se esses números forem diferentes, dizemos que ele está eletrizado. Existem basicamente três processos de eletrização: por contato, por atrito e por indução: A eletrização por contato envolve dois corpos condutores, e pelo menos um deles deve estar eletricamente carregado. Quando os dois corpos entram em contato, as suas cargas elétricas dividem-se até que os dois estejam sob o mesmo potencial elétrico. Ao final do processo, os corpos apresentam o mesmo sinal de cargas. A eletrização por atrito envolve o fornecimento de energia para dois corpos por meio da fricção entre eles. Durante a fricção (atrito), alguns elétrons são arrancados de um dos corpos, sendo capturados em seguida pelo outro corpo. Para tanto, é necessário verificar a afinidade desses dois corpos nesse tipo de eletrização em uma consulta à série triboelétrica. Tabela triboelétrica. A eletrização por indução ocorre pela aproximação relativa entre um corpo eletricamente carregado, chamado de indutor, e um corpo condutor, chamado de induzido. A presença do indutor gera uma separação de cargas no corpo induzido, chamada de polarização. A partir dessa separação, aterra-se o induzido no chão, fazendo com que suas cargas fluam através de um fio terra. Todos os processos de eletrização ocorrem de acordo com os princípios de conservação da carga elétrica e da energia, ou seja, antes e depois da eletrização, o número de cargas e a quantidade de energia entre as cargas devem ser iguais. • Lei de Coulomb: Foi formulada pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) no final do século XVIII. Ela apresenta conceitos acerca da interação eletrostática entre as partículas eletricamente carregadas: “A força de ação mútua entre dois corpos carregados tem a direção da linha que une os corpos e sua intensidade é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa”. F=K Q1⋅Q2 r 2 F → Força (Newton) K → Constante eletrostática 9,0⋅109 N⋅m 2 C 2 Q → Carga elétrica (coulomb) r → Distância entre as cargas elétricas (m) • Eletricidade: Todo fluxo ordenado de cargas elétricas, não apenas de elétrons, é denominado de corrente elétrica. Dessa forma, o conceito de corrente elétrica está associado com uma quantidade de carga elétrica Q fluindo ao longo de uma região durante um intervalo de tempo Δt. Matematicamente, definimos corrente como sendo: i= Q t i → Corrente elétrica [Coulomb por segundo(C/s) = ampère(A)] • Gerador Elétrico: Portanto, para fazer com que os elétrons se mantenham circulando, basta garantir que sempre exista uma diferença de potencial nesse circuito. Isso é tarefa do gerador elétrico. De forma geral, um gerador elétrico tem como função converter uma forma qualquer de energia (como química, no caso das pilhas e baterias, ou mecânica, no caso das hidrelétricas) em energia elétrica, a qual será utilizada para garantir que sempre exista uma diferença de potencial nesse circuito. Todo gerador elétrico possui dois polos: o negativo e o positivo. Ao representarmos um circuito elétrico, indicamos um gerador elétrico da seguinte forma: representação de um gerador elétrico. Os elétrons partem do polo negativo do gerador e seguem em direção ao polo positivo. Esse é o chamado sentido real da corrente. Entretanto, por motivos históricos, não representaremos a corrente elétrica seguindo essa direção, mas a representaremos por meio de setas que partem do polo positivo e vão em direção ao polo negativo. https://querobolsa.com.br/enem/fisica/introducao-a-eletrodinamica-e-corrente-eletrica https://querobolsa.com.br/enem/fisica/introducao-a-eletrodinamica-e-corrente-eletrica Esse é o sentido convencional da corrente e é o contrário do sentido real de movimento dos elétrons. Circuito elétrico simples. • Resistor: Além de gerador e de corrente elétrica, outro elemento muito importante em um circuito elétrico é o resistor. Podemos dizer que o resistor representa as perdas do circuito por calor. Conforme os elétrons circulam pelo circuito, as irregularidades do fio metálico fazem que com que uma parcela de sua energia elétrica, fornecida pelo gerador, seja perdida na forma de calor. Esse fenômeno é denominado Efeito Joule. Desse modo, resistores podem ser utilizados em um circuito tanto para converter energia elétrica em térmica pelo Efeito Joule, quanto para limitar a corrente que circula em certo trecho, uma vez que correntes muito elevadas podem danificar o circuito. símbolos utilizados para representar resistores em esquemas elétricos: • Resistência Elétrica: O quão bem certo resistor funciona é representado por uma grandeza denominada resistência, a qual está associada à dificuldade de circulação de corrente elétrica. Essa grandeza é medida em ohms (Ω) e está relacionada com a tensão elétrica (diferença de potencial ddp) U aplicada no trecho e com a corrente i que por ele circula pela seguinte fórmula: R=U i U=R⋅i Lei de ohm. • Potência Elétrica: Além dessas grandezas, outra que merece destaque na eletrodinâmica é a potência dissipada pelo circuito. Essa potência pode ser calculada se soubermos a diferença de potencial mantida pelo gerador e a corrente que circula pelo circuito: P=U⋅i Note que, a partir da equação de resistência, podemos chegar em outras formas de se calcular a potência dissipada: P=U⋅i=U 2 R =R⋅i https://querobolsa.com.br/enem/fisica/resistor Ao longo dos nossos estudos de eletrodinâmica, aprofundaremos o entendimento acerca de cada um desses elementos, conheceremos outros elementos que também fazem parte da composição de um circuito e compreenderemos como cada um desses elementos está relacionado um ao outro. • Exercícios: 1) Atritando-se dois corpos A e B, inicialmente neutros, verifica-se que A adquire carga de 1,6μC. Qual a carga adquirida por B? Quantos elétrons foram trocados entre A e B? O prefixo μ (micro) significa um milionésimo, ou seja, 10 – 6. Assim, a carga adquirida por A foi de: QA = 1,6. 10 – 6 C A carga adquirida por B foi igual, com sinaloposto: QB = – 1,6. 10 – 6 C Número de elétrons transferidos, temos: Q = n.e → e = 1,6. 10 – 19 C 1,6. 10 – 6 = n.1,6. 10 – 19 n = 1,6. 1010–6 1,6. 10– 19 → n = 10 13 elétrons 2) Uma esfera metálica contém carga igual 5,0μC. Encosta-se essa esfera em outra esfera metálica idêntica, inicialmente neutra. Ambas estão montadas sobre suportes isolantes. Determine a carga final de cada uma. A carga que estava em uma esfera vai se distribuir igualmente entre as duas, já que as esferas são idênticas. No final as cargas de cada esfera é de 2,5μC. 3) Tem-se duas esferas metálicas idênticas, com cargas 4,0μC e 6,0μC. Colocam-se as esferas em contato. Determine: a) as cargas finais de cada uma; b) o número de elétrons transferidos de uma para outra, no contato. 4) Três esferas metálicas idênticas A, B e C são montadas sobre suportes isolantes, sendo que a esfera A, inicialmente, tem carga positiva de 2,0μC, enquanto B e C estão neutras. A esfera A é colocada momentaneamente em contato com a esfera B e, em seguida, com a esfera C. Quais as cargas finais das esferas A, B e C? 5) As partículas α são compostas de dois prótons e dois nêutrons. Qual a carga de uma partícula α? 6) De acordo com a Física clássica, as principais partículas elementares constituintes do átomo são: a) prótons, elétrons e carga elétrica b) prótons, nêutrons e elétrons d) elétrons, nêutrons e átomo e) nêutrons, negativa e positiva Resposta: b) 7) Marque a alternativa que melhor representa os processos pelos quais um corpo qualquer pode ser eletrizado. Eletrização por: a) atrito, contato e aterramento b) indução, aterramento e eletroscópio c) atrito, contato e indução d) contato, aquecimento e indução e) aquecimento, aterramento e carregamento Resposta: c) 8) Tem-se três esferas condutoras, A, B e C. A esfera A (positiva) e a esfera B (negativa) são eletrizadas com cargas de mesmo módulo, Q, e a esfera C está inicialmente neutra. São realizadas as seguintes operações: 1) toca-se C em B, com A mantida a distância, e em seguida separa-se C de B. 2) toca-se C em A, com B mantida a distância, e em seguida separa-se C de A. 3) toca-se A em B, com C mantida a distância, e em seguida separa-se A de B. Qual a carga final da esfera A? Dê sua resposta em função de Q. a) Q 4 b) −Q 8 c) Q 10 d) −Q 4 e) −Q 2 9) Considere os seguintes materiais: 1) madeira seca 2) vidro comum 3) algodão 4) corpo humano 5) ouro 6) náilon 7) papel comum 8) alumínio Quais dos materiais citados acima são bons condutores de eletricidade? Marque a alternativa correta. a) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 b) 4, 5 e 8 c) 5, 3, 7 e 1 d) 2, 4, 6 e 8 e) 1, 3, 5 e 7 De acordo com a facilidade relativa de movimentação das cargas elétricas na estrutura de diversos materiais, naturais ou sintéticos, são classificados em condutores ou isolantes. Sendo assim, um material comporta-se como condutor elétrico quando permite a movimentação de portadores de carga elétrica em sua estrutura, caso contrário, ele é denominado de isolante. Dessa forma, da lista acima, somente o corpo humano, o ouro e o alumínio apresentam essa facilidade de condução das cargas elétricas. Resposta: B 10) (UFPel) Em relação à eletrização de um corpo, analise as afirmativas a seguir. I. Se um corpo neutro perder elétrons, ele fica eletrizado positivamente; II. Atritando-se um bastão de vidro com uma flanela, ambos inicialmente neutros, eles se eletrizam com cargas iguais; III. O fenômeno da indução eletrostática consiste na separação de cargas no induzido pela presença do indutor eletrizado; IV. Aproximando-se um condutor eletrizado negativamente de outro neutro, sem tocá-lo, este permanece com carga total nula, sendo, no entanto, atraído pelo eletrizado. V. Um corpo carregado pode repelir um corpo neutro. Estão corretas: a) apenas a I, a II e a IV. b)apenas a II, a III e a V. c) apenas a II e a IV. d) apenas a I, a IV e a V. e) apenas a I, a III e a IV. 11) Duas cargas puntiformes repelem-se com força F quanda a distância entre elas é X. Qual a força de repulsão quando a distância é 2X? E para a distância de 3X? 12) Considere duas esferas metálicas idênticas, A e B. Inicialmente, a esfera A tem carga 4μC, e a carga B, carga – 6μC. Qual o valor da carga elétrica final em cada esfera após terem sido colocadas em contato e separadas? 13) Calcule a força de interação entre duas cargas elétricas puntiformes de valores Q1 = 3,0.10 – 5C e Q2 = – 8,0.10 – 5C, sabendo que a distância entre elas é de 2cm. As cargas estão no vácuo. Basta aplicar a lei de Coulomb. F=k⋅ Q1⋅Q2 r2 → k = 9,0⋅109 N⋅m2 C2 Tomadas em módulo, as cargas; r = 2cm = 2.10 – 2 m logo; F=9⋅109⋅ 3⋅10−5⋅8⋅10−5 2⋅10−22 → F = 5,4.104N 14) Duas cargas elétricas puntiformes idênticas e iguais a 1,0·10 – 6C estão separadas de 3,0cm, no vácuo. Sendo a constante eletrostática no vácuo igual a 9,0·109 N·m2/C2 , a intensidade da força de repulsão entre as cargas, em Newtons, vale: a) 1,0 · 10 b) 1,0 · 10 – 2 c) 1,0 d) 1,0 · 10 – 3 e) 1,0 · 10 – 1 15) Medindo a intensidade de uma corrente elétrica com um amperímetro, obteve-se o valor i = 2,0A. Detremine: a) a carga transportada por essa corrente em 10s. i = 2A; Δt = 10s → Q = i . Δt = 2 . 10 → Q = 2C b) O número de elétrons que atravessam uma secçaõ reta do condutor nesse intervalo de tempo. Q=n⋅e → n=Qe → n= 20 1,6⋅10−19 → n = 12,5.1019 elétrons 16) Um fio é atravessado por 2,0.1020 elétrons em 20s. Qual a intensidade de corrrente elétrica? 17) Quanto tempo será necessário para que uma corrente de 20A transporte uma carga líquida de 64C através de uma secção reta de um condutor? 18) Durante 10s, uma corrente de 32A percorre um condutor metálico. Quantos elétrons passam por uma secção reta de um condutor? 19) Um motor de gravador em funcionamento é atravessado por uma corrente de 400mA de intensidade. Determine a carga elétrica que passa por dentro de um motor em um minuto. Quantos alétrons atravessam este condutor neste intervalo de tempo? 20) Consumo domiciliar de energia elétrica é medido em quilowattas-hora (kWh); 1 kWh é a energia consumida em 1h por um dispositivo que tem potência de 1 kW. Quantos joules equivalem a 1kWh? 21) Numa residência estão ligados? 2 lâmpadas de led de 12W 1 ferro elétrico de 500W 1 geladeira que consome 300W A diferença de potencial na rede elétrica é de 110V. Calcule a corrente total que está sendo fornecida a essa casa. Temos: U = 110V Potência total consumida é: P = 2 . 12 + 500 + 300 = 824W P = U . i → 824 = 110 . i → i = 824/110 ≈ 7,5A 22) Um chuveiro opera com 2500W de potência, com 220V de ddp. Qual a corrente que o atravessa? 23) Calcule a corrente que atravessa um resistor de 200Ω quando se aplica a ele uma ddp de 5V. U = R . i → 5 = 200 . i → i = 5/200 = 0,025A = 25mA 24) Um fio metálico, quando submetido à diferença de potencial de 0,5V, é atravessado por uma corrente de 2A. Qual é sua resistência alétrica? 25) Um resistor de resistência 4Ω está submetido a uma tensão elétrica de 32V. Quantos elétrons o atravessam num intervalo de tempo de 2s? 26) Um resistor de 100Ω é utilizado para aquecer água. Os terminais do resistor recebem 110V da rede elétrica. A massa de água no recipiente é de 200mL. Desprezando as perdas de calor, responda: dágua = 1g/cm3 → 1cm3 = 1mL a) U = 110V; R = 100Ω → P=U 2 R = 1102 100 =121W b) Em 1 min, a água terá recebido uma quantidade de calor igual à energia dissipada no resistor. Ediss = P . Δt → Δt = 1min = 60s → Ediss = 121 . 60 = 7260J como 1cal = 4,2J, temos: Q = 7260 4,2 ≅1730cal O calor específico da água líquida é 1,0cal/g°C. A massa de água é 200g, logo: Q = m . c . ΔT → 1730 = 200 . 1. ΔT → ΔT = 1730/200 ≈ 8,7°C 27) (FPS-PE) Pretende-se aquecer e ferver uma amostra de meio litro de água pura, mantida inicialmente na temperatura de 25ºC,fazendo-se uso de um aquecedor elétrico com potência nominal de 1000Watts. Sabendo-se que o volume de água a ser aquecido está acondicionado em um recipiente isolado do ambiente, cuja capacidade térmica vale 360J/ºC e que o calor específico da água é igual a 4180J/kgºC, o tempo necessário para iniciar o processo de vaporização da amostra de água é de aproximadamente: a) 1 hora b) 10 minutos c) 30 segundos d) 30 minutos e) 3 minutos 28) A bateria de um automóvel está carregada com carga total de 9000C. Sua ddp é de 12V e a resistência do sistema de som vale 6Ω. a) Determine a intensidade da corrente alétrica que flui pelo sistema. b) Se não houver recarga da bateria, por quanto tempo o som poderá permanecer ligado, em horas? 29) Uma Prancha ou Chapinha Alisadora de Cabelo ligado a uma rede de 120V consome 60W de potência. a) Qual a intensidade de corrente utilizada? b) Qual a resistência? 30) Considere uma bomba de água com potência média de 750W que é ligada por duas horas todos os dias do mês. Supondo que o custo de 1kWh de energia elétrica seja de R$0,72, responda: a) Quanto de energia elétrica, em kWh essa bomba consome por mês? b) Qual é o gasto mensal dessa bomba de água? 31) (OSEC–SP) Um chuveiro elétrico, quando sob ddp de 220V, é atravessado por uma corrente elétrica de intensidade de 10A. Qual é a energia elétrica consumida, em kWh, em 15min de funcionamento? a) 0,55 b) 3,3 c) 1,21 d) 33 e) 5,5 32) Um resistor de 10Ω de resistência está mergulhado em 100g de água, à temperatura ambiente de 20°C. Em um certo instante, aplica-se ao resistor uma diferença de potencial de 42V. A água se encontra dentro de um vaso adiabático. (1cal = 4,2J). a) Qual a potência dissipada no resistor? b) converta essa potência em calorias por segundo. c) Calcule a temperatura da água após 50s. • Bibliografia: 1 - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/carga-eletrica.htm 2 - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-eletrostatica.htm 3 - https://www.todamateria.com.br/carga-eletrica/ 4 - https://querobolsa.com.br/enem/fisica/eletrodinamica 5 - https://alunosonline.uol.com.br/fisica/circuito-eletrico-simples.html 6 - https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-os-processos-eletrizacao.htm 7 - https://exercicios.mundoeducacao.bol.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-processos-eletrizacao.htm https://brasilescola.uol.com.br/fisica/carga-eletrica.htm https://exercicios.mundoeducacao.bol.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-processos-eletrizacao.htm https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-os-processos-eletrizacao.htm https://alunosonline.uol.com.br/fisica/circuito-eletrico-simples.html https://querobolsa.com.br/enem/fisica/eletrodinamica https://www.todamateria.com.br/carga-eletrica/ https://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-eletrostatica.htm Exercícios:
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