Campo Elétrico e Magnético

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2.3. Campo elétrico
Campos carregados eletricamente
Os átomos são partículas eletricamente neutras. Mas acontece que podem perder ou ganhar eletrões, dando origem a partículas com carga elétrica positiva ou negativa devido à transferência de eletrões. 
Lei da Conservação da Carga Elétrica
Num sistema isolado, se um corpo cede eletrões, outro recebe-os, pelo que a carga total do sistema permanece constante.
A unidade S.I de carga elétrica é o Coulomb, C.
O módulo da carga elétrica é sempre um múltiplo da carga do protão, que é designada carga elementar.
Interação entre cargas elétricas
As cargas elétricas interagem entre si à distância, repelindo-se se tiverem o mesmo sinal e atraindo-se se tiverem sinais contrários.
Campo elétrico	
Um campo elétrico tem origem em cargas elétricas.
Consideremos uma carga elétrica pontual e positiva, Q, colocada num dado ponto do espaço.
Esta carga elétrica Q (carga criadora) cria à sua volta um campo elétrico, , pois, se colocarmos num outro ponto do espaço à sua volta uma outra partícula com carga elétrica positiva, q (carga de prova), esta fica sujeita a uma força elétrica, , repulsiva por parte da carga elétrica Q, cuja intensidade diminui à medida que a distância entre as cargas aumenta.
Para caracterizar a ação elétrica de uma carga criadora Q, independentemente de uma carga de prova q, define-se campo elétrico, , como sendo a força que atua numa carga elétrica unitária positiva, q = +1 C (carga de prova), em que a ação elétrica se faz sentir.
ou
A unidade S.I do campo elétrico é o volt por metro, , que corresponde a um Newton por Coulomb, 
O campo elétrico criado por uma carga pontual (positiva ou negativa) num dado ponto:
· é tanto mais intenso quanto maior for o módulo da carga criadora, Q;
· é tanto mais intenso quanto menor for a distância do ponto à carga criadora, Q;
· apresenta simetria esférica, isto é, tem a mesma intensidade a igual distância da carga;
· é centrifugo se a carga criadora do campo for positiva () e centrípeto, se a carga criadora do campo for negativa (). 
O campo elétrico pode ser representado por linhas de campo.
As linhas de campo são linhas imaginárias sempre tangentes ao campo elétrico, , em cada ponto, que indicam a direção e o sentido do campo elétrico, .
Nas zonas onde as linhas de campo apresentam maior densidade (ficam mais juntas), o campo elétrico é mais intenso.
As linhas de campo do campo elétrico criado por uma ou mais cargas:
· São sempre tangentes, em cada ponto, ao campo elétrico e indicam a direção e o sentido do campo.
· Partem de cargas positivas e terminam em cargas negativas.
· Apresentam maior densidade nas zonas onde o campo é mais intenso.
· Nunca se cruzam.
O campo elétrico criado num ponto do espaço por duas cargas elétricas, e , é igual à soma vetorial dos campos elétricos criados npor cada uma das cargas elétricas. Alguns exemplos:
Campo elétrico uniforme
O campo elétrico, , diz-se uniforme, numa dada região do espaço, se for constante, isto é, se tiver o mesmo módulo, a mesma direção e o mesmo sentido em todos os pontos dessa região do espaço.
Num campo elétrico uniforme as linhas de campo são paralelas e equidistantes entre si, pois o campo elétrico é constante.
Uma carga elétrica colocada num dado ponto de um campo elétrico fica sujeita a uma força elétrica, tal que:
A força elétrica que atua numa carga pontual q colocada num campo elétrico tem:
· sempre a direção do campo elétrico;
· o sentido do campo elétrico se a carga pontual colocada nesse ponto for positiva;
· o sentido oposto ao do campo elétrico se a carga pontual colocada nesse ponto for negativa.
2.4. Campo magnético
Campo magnético criado por um íman
Um íman cria à sua volta um campo magnético. 
Os ímanes têm dois polos – o polo norte e o polo sul - na vizinhança dos quais a força magnética é mais intensa. 
Não existem polos magnéticos isolados - estes ocorrem sempre aos pares.
Por exemplo, se um magnete se partir em dois, cada pedaço fica com um polo norte e um polo sul. Obtém-se, assim, desta divisão, novos ímanes mais pequenos. 
Dois ímanes exercem forças entre si: 
-forças de atração entre polos magnéticos diferentes;
-forças de repulsão entre polos magnéticos iguais.
Dizemos que existe um campo magnético, , grandeza vetorial, numa região do espaço, quando nessa região se faz sentir uma ação magnética que se manifesta através de forças magnéticas de atração ou de repulsão sobre os polos magnéticos de ímanes aí colocados.
O campo magnético num dado ponto em volta de um íman criador do campo, é tanto mais intenso quanto maior for a força magnética (atrativa ou repulsiva) exercida sobre um outro íman colocado nesse ponto. 
A unidade S.I do campo magnético é o Tesla, T.
Linhas de campo
-São sempre tangentes, em cada ponto, ao campo magnético e indicam a direção e o sentido deste.
-Orientam-se do polo norte do íman para o polo sul do mesmo.
-Apresentam maior densidade nas zonas onde o campo magnético é mais intenso.
-Nunca se cruzam.
As linhas de campo podem ser visualizadas com limalhas de ferro ou pequenas bússolas.
O conjunto das linhas de campo constitui o espetro do campo magnético criado pelo íman. 
No caso de um íman em U, o campo magnético entre as armaduras do íman é uniforme (exceto nas extremidades). Há uma zona entre as armaduras onde as linhas de campo são segmentos de reta paralelos igualmente espaçados, o que significa que aí o campo magnético é uniforme ( = constante). 
Campo magnético criado por uma corrente elétrica
A experiência de Oersted constituiu a primeira prova experimental da ligação entre eletricidade e magnetismo.
· Campo magnético criado por uma corrente elétrica num fio condutor longo e retilíneo
A intensidade do campo magnético, num ponto, depende da corrente elétrica e da distância do ponto ao fio condutor: quanto maior for a distância, menos intenso é o campo magnético nesse ponto. 
As linhas de campo do campo magnético criado por uma corrente elétrica num fio condutor longo e retilíneo: 
· São circulares, centradas no fio, e encontram-se em planos perpendiculares ao fio condutor.
· O sentido depende do sentido da corrente elétrica que cria o campo magnético e pode ser obtido pela regra da mão direita.
· Campo magnético criado por uma corrente elétrica numa espira circular
A intensidade do campo magnético, num ponto exterior à espira, depende da corrente elétrica e da distância do ponto à espira circular.
As linhas de campo do campo magnético criado por uma espira circular percorrida por uma corrente elétrica: 
· São linhas curvas fechadas que se encontram em plano perpendiculares ao plano da espira.
· O sentido depende do sentido da corrente elétrica e pode ser obtido pela regra da mão direita.
· Campo magnético criado por um solenoide percorrido por uma corrente elétrica
As linhas de campo magnético, no interior do solenoide, são praticamente paralelas ao seu eixo, pelo que o campo magnético é praticamente uniforme nessa região, sendo, portanto, constante.
A intensidade do campo magnético é constante no interior do solenoide; depende do número de espiras e da corrente elétrica que as percorre.
Um solenoide comporta-se como um íman em barra. 
As linhas de campo magnético no exterior de um solenoide, são semelhantes às linhas de campo magnético de um íman em barra com as mesmas dimensões. 
Fluxo magnético
Ângulo formado pela direção das linhas de campo e pela perpendicular à direção da espira
	Fluxo magnético
Área da espira
Campo magnético
O fluxo do campo magnético que atravessa uma espira é:
· Máximo, quando , ou seja, quando a superfície delimitada pela espira é perpendicular à direção do campo magnético. Neste caso, é .
· Nulo, quando , ou seja, quando a superfície delimitada pela espira não é atravessada por linhas de campo.
O fluxo magnético de uma bobina com N espiras de igual área e dispostas paralelamente umas às outras é: 
Indução eletromagnética
A induçãoeletromagnética consiste na produção de uma força eletromotriz induzida por variação do fluxo do campo magnético através de um circuito.
Por exemplo, o movimento de um íman em relação a uma bobina de fio condutor ou de uma bobina (ou espira) de fio condutor em relação a um íman, havendo variação de fluxo magnético, produz uma corrente elétrica induzida. 
Quanto mais rápido for o movimento do íman em relação à bobina ou vice-versa, maior é a corrente elétrica induzida. 
Lei de Faraday
De acordo com a Lei de Faraday, o módulo da força eletromotriz induzida (unidade S.I é o volt, V) é igual ao módulo da variação do fluxo magnético, por unidade de tempo.
É assim possível produzir correntes elétricas induzidas em fios condutores, em circuito fechado, variando o fluxo do campo magnético criado por ímanes.
Se o fluxo do campo magnético criado por um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica variar, também é possível produzir uma corrente elétrica induzida num circuito fechado que se encontre próximo do primeiro.
Portanto, o primeiro circuito percorrido por uma corrente elétrica induz uma corrente elétrica num segundo circuito, onde a corrente elétrica era nula.
Produção de corrente elétrica alternada em centrais elétricas e o seu transporte até ao consumidor + transformadores
As fontes de energia elétrica podem gerar dois tipos de corrente elétrica:
	- corrente elétrica contínua (CC) – que tem sempre o mesmo sentido – ex. pilhas e baterias – aparece uma linha reta no osciloscópio.
	- corrente elétrica alternada (CA) – que muda periodicamente de sentido – corrente elétrica que recebemos em casa – linha sinusoidal no osciloscópio.
Na corrente elétrica alternada apresenta algumas vantagens em relação à corrente contínua, como, por exemplo:
	- é produzida em larga escala de um modo mais eficiente;
	-é possível elevar ou baixar a sua tensão, usando transformadores;
	-é relativamente fácil transformá-la em corrente contínua.
O transporte de energia elétrica é feito a tensões elétricas muito elevadas para reduzir as perdas de energia elétrica por efeito Jule
	
Os transformadores são dispositivos que servem para elevar ou baixar a tensão de uma corrente elétrica alternada. O seu funcionamento baseia-se na indução eletromagnética. 
Um transformador é constituído por duas bobinas, geralmente designadas por enrolamentos (primário e secundário), com diferente número de espiras.
A relação entre o número de espiras do primário e do secundário vai determinar a relação entre as tensões de entrada e de saída do transformador. 
As tensões elétricas do primário e do secundário relacionam-se com o respetivo número de espiras da seguinte forma:
2.5. Ondas eletromagnéticas e sua refelxão
Ondas, como a luz, que não precisam de um meio material para se propagarem designam-se por ondas ou radiações eletromagnéticas.
A fonte geradora de ondas eletromagnéticas mais simples consiste numa carga elétrica a oscilar com uma determinada frequência, sendo a frequência de onda igual à frequência de oscilação da carga.
As ondas eletromagnéticas resultam da propagação de campos elétricos e magnéticos variáveis, perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação das ondas - são ondas transversais.
James Maxwell:
 
Heinrich Hertz
Espetro eletromagnético
O conjunto de todas as ondas eletromagnéticas de diferentes frequências designa-se por espetro eletromagnético. 
Repartição da energia de uma onda eletromagnética
Uma onda é a propagação de uma perturbação no espaço, com transporte de energia. Em particular, também uma onda eletromagnética transporta energia. Quanto maior for a frequência da onda eletromagnética, maior é a energia que transporta.
Quando uma onda eletromagnética incide na superfície de separação de dois meios:
· Parte da radiação é refletida;
· Parte da radiação é transmitida;
· Parte da radiação é absorvida.
Lei da Conservação da Energia:
Há materiais que são opacos à radiação eletromagnética, isto é, não a transmitem. 
Há materiais que são opacos à radiação eletromagnética de uma determinada frequência, mas transmitem radiações com outras frequências. É o caso do vidro normal utilizado nas janelas de nossas casas e em estufas, que é transparente à radiação visível, isto é, deixa-se atravessar por ela, praticamente não a absorvendo, mas é opaco à radiação infravermelha (IV).
Repartição da energia da radiação solar incidente na Terra
A radiação solar chega à superfície da Terra através da janela do visível e da janela das ondas de rádio.
· Parte da radiação solar é refletida para o Espaço;
· Parte da radiação solar é absorvida pela atmosfera. A atmosfera é opaca a radiações gama, raios X, radiação ultravioleta mais energética, parte da radiação infravermelha e alguma radiação micro-ondas.
· Parte da radiação solar é transmitida e chega à superfície da terra. A atmosfera da terra é transparente a essa radiação.
Da radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre, cerca de 30% da radiação é refletida (albedo), cerca de 19% é absorvida pela atmosfera e cerca de 51% é transmitida para a superfície da Terra.
2.6. Reflexão e refração da luz
Reflexão da luz
O tipo de reflexão sofrida pela luz depende das características da superfície sobre a qual a luz incide. Assim:
Nas superfícies não polidas, ocorre predominantemente a reflexão irregular ou difusa da luz.
Nas superfícies polidas, ocorre predominantemente a reflexão regular ou especular da luz. 
A reflexão irregular da luz e a reflexão regular ocorrem sempre em simultâneo, embora predomine uma delas, conforme a superfície seja mais ou menos polida.
Leis da reflexão da luz
· O ângulo de incidência, ângulo que o raio incidente faz com a normal à superfície, no ponto de incidência, é igual ao ângulo de reflexão, ângulo que o raio refletido faz com a normal à superfície, no ponto de incidência.
· O raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.
Reflexão de uma onda eletromagnética
Na reflexão de uma onda eletromagnética, as ondas incidente e refletida:
· têm a mesma frequência;
· têm a mesma velocidade de propagação;
· têm o mesmo comprimento de onda;
· a intensidade da onda refletida é sempre menor do que a intensidade da onda incidente.
Algumas aplicações da reflecção da luz no nosso dia a dia são, por exemplo, o periscópio, o radar e os códigos de barras.
Refração da luz
A refração da luz acontece sempre que a luz passa de um meio transparente para outro diferente do primeiro, sendo a sua velocidade de propagação nestes meios diferente.
A refração da luz ocorre sempre que a luz passa de um meio transparente para outro diferente do primeiro, sendo a sua velocidade de propagação nestes meios diferente. Nestas circunstâncias, a luz muda, em geral, a sua direção de propagação. 
Refração de uma onda eletromagnética
Na refração de uma onda eletromagnética, as ondas incidente e refratada:
· têm a mesma frequência;
· têm velocidades de propagação diferentes;
· têm comprimentos de onda diferentes;
· a intensidade da onda refratada é sempre menor do que a intensidade da onda incidente.
Índice de refração
O índice de refração da luz num determinado meio é igual à razão entre a velocidade de propagação da luz no vácuo (meio de referência) e a sua velocidade de propagação num dado meio.
Como c é o valor da velocidade de propagação da luz no vácuo, é sempre . Logo, o índice de refração é sempre superior a 1. 
O índice de refração da luz num meio indica, portanto, quantas vezes a velocidade da luz no vácuo é superior à velocidade da luz no meio considerado.  
Índice de refração e velocidade de propagação
O índice de refração da luz num meio e a sua velocidade de propagação nesse meio são inversamente proporcionais.
Índice de refração e comprimento de onda
O índice de refração da luz monocromática num meio e o seu comprimento de onda nesse meio são inversamente proporcionais.
Leis da refraçãoda luz (Leis de Snell-Descartes)
O ângulo de incidência, , e o ângulo de refração, , relacionam-se pela expressão: 
onde n1 e n2 são os índices de refração dos meios. 
O raio incidente, o raio refratado e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.
Reflexão total da luz
Quando a luz passa de um meio transparente para outro onde a sua velocidade de propagação é maior, pode não ocorrer refração da luz.
Por exemplo, quando a luz passa do vidro para o ar, verifica-se que à medida que o ângulo de incidência aumenta, o ângulo de refração também aumenta, até que a partir de um determinado ângulo de incidência, designado por ângulo-limite ou ângulo crítico, a luz deixa de sofrer refração, passando a haver apenas reflexão. 
Diz-se que ocorre o fenómeno da reflexão total da luz. 
 O fenómeno da reflexão total da luz está na base do desenvolvimento de fibras óticas, que têm inúmeras aplicações tecnológicas. 
e
 
F
E
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1 1 2 2sin sinn nq q=