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[FÍSICA] - Força, Campo e Potencial Elétrico I

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2
BIMESTRE
FORÇA,
1
CAMPO E
POTENCIAL
a
l
u
A
ELÉTRICO
FORÇA E ENERGIA
Força
A experiência de Coulomb
Para estabelecer a lei de interação entre
cargas elétricas, Coulomb usou uma balança
de torção, esquematizada na figura. Nessa
balança, uma barra isolante homogênea tem,
em suas extremidades, duas pequenas esferas
de mesmo peso, inicialmente neutras. A barra
é suspensa pelo seu ponto médio por um
delgado fio de prata, cuja torção pode ser
avaliada num mostrador situado na parte
superior do aparelho.
A experiência de Coulomb
Considere duas cargas elétricas puntiformes
Q1 e Q2separadas pela distância d e situadas no
vácuo. Entre elas ocorre atração, se tiverem
sinais opostos, ou repulsão, se tiverem mesmo
sinal, com forças de mesma intensidade, mesma
direção e sentidos opostos, de acordo com o
princípio da ação e reação.
A intensidade da força de ação mútua entre
as cargas, supostas no vácuo, depende da
distância d entre as cargas e dos valores das
cargas Q1 e Q2.
A experiência de Coulomb
Durante a operação, outra barra isolante, em
cuja extremidade há uma pequena esfera b
eletrizada, é introduzida verticalmente por um
orifício do dispositivo (ver figura), de modo que
toque uma das esferas (a) da primeira barra. A
esfera a eletriza-se com carga de mesmo sinal
que b, ocorrendo a repulsão entre elas. Em
consequência dessa repulsão, há uma torção
no fio de suspensão. A intensidade da força
elétrica é proporcional ao ângulo de torção.
A experiência de Coulomb
Medindo o ângulo de torção para diferentes
distâncias entre a e b, Coulomb estabeleceu a
lei do inverso do quadrado da distância.
Mantendo a distância e mudando
convenientemente o valor das cargas, ele
estabeleceu que a intensidade da força elétrica é
diretamente proporcional ao produto das cargas.
A experiência de Coulomb
A influência desses fatores foi determinada experimentalmente por Charles
Coulomb, que estabeleceu o seguinte enunciado, conhecido como lei de
Coulomb:
A intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricas puntiformes
é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas e
inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
A partir do enunciado podemos
escrever:
�� = ����1 ∙ ��2��
2
Experimentalmente, obtém-se para a constante eletrostática do vácuo k o
valor: �� = 9 ∙ 109�� ∙ ��2/��2
A experiência de Coulomb
Determine a intensidade da força de repulsão entre duas cargas elétricas iguais a 1 C,
situadas no vácuo e a 1 m de distância.
A experiência de Coulomb
Observação:
Uma força de intensidade 9 x 109 N, entre
duas cargas elétricas de 1 C,
corresponde aproximadamente ao peso
de um corpo de massa igual a 1 milhão
de toneladas. Em virtude disso, são
muito utilizados os submúltiplos do
coulomb:
1 milicoulomb = 1 mC = 10-3 C
1 microcoulomb = 1 µC = 10-6 C
1 nanocoulomb = 1 ηC = 10-9 C
1 picocoulomb = 1 pC = 10-12 C
A experiência de Coulomb
A distância entre o elétron e o próton no átomo de hidrogênio é da ordem de 5,3 x 10-11 m.
Determine a intensidade da força de atração eletrostática entre as partículas.
ENERGIA 1 - TRABALHO
… E a luz de mais um dia estimula a fotossíntese,
provocando uma verdadeira revolução bioquímica nos
vegetais, o que lhes permite cumprir seu ciclo virtuoso
de crescimento, viço e morte. Os animais, incluindo o
homem, nutrem-se de acordo com sua posição na
cadeia alimentar, o que lhes faculta crescer,andar,
correr, reproduzir e lutar pela própria subsistência.
Mas que elixir é esse que movimenta a fantástica
máquina da vida, tornando nossa Terra um planeta tão
singular? Trata-se do mesmo substrato primordial,
responsável por fazer operar todas as máquinas, dos
automóveis aos caminhões, dos tratores aos
guindastes, dos aviões às naves espaciais. Essa
substância imponderável que possibilita o
funcionamento de todos os organismos – vivos ou não
– recebeo nome de energia.
ENERGIA 1 - TRABALHO
A palavra energia tem origem grega – ergos – e significa
trabalho. O conceito de trabalho que desenvolveremos
difere da noção de ocupação, ofício ou profissão.
Realizar trabalho em Física implica a transferência de
energia de um sistema para outro e, para que isso
ocorra, são necessários uma força e um
deslocamento adequados.
ENERGIA 1 - TRABALHO
De modo geral, podemos descrever
matematicamente o trabalho realizado
pela força constante (F) como:
�� = �� . �� . cos ��
ENERGIA 2 – ENERGIA CINÉTICA
Energia é a capacidade de realizar
trabalho. E qualquer corpo em movimento
pode realizar trabalho. Então, todo corpo
que se move é dotado de energia. A forma
de energia associada ao movimentodos
corpos é a energia cinética.
Matematicamente, a energia cinética de um corpo é dada
por:
�� =�� ∙ ��2
2
ENERGIA 2 – ENERGIA CINÉTICA
Raciocine passo a passo:
• Quando um corpo se desloca com velocidade constante
(mantendo a intensidade da velocidade, a direção e o sentido do
movimento), a força resultante que atua sobre ele é nula. • Para
uma força resultante nula, o trabalho realizado por ela também é
nulo. • Porém, se a intensidade da velocidade do corpo for alterada,
ele terá sofrido a ação de uma nova força, que realizou um trabalho.
• Se um trabalho foi realizado no corpo em movimento, então sua
energia cinética foi alterada. • Portanto, o responsável pela
variação da energia cinética de um corpo é o trabalho realizado
pela força resultante que atua sobre ele. Matematicamente:
ENERGIA 3 – ENERGIA POTENCIAL
A energia potencial é a energia guardada por
um corpo que pode colocá-lo em movimento.
Essa energia potencial depende,
fundamentalmente, da posição do corpo e da
adoção de um referencial. Na mecânica,
estudamos três tipos de energia potencial: a
energia potencial gravitacional, a energia
potencial elástica e a energia potencial elétrica.
ENERGIA 3 – ENERGIA POTENCIAL
ENERGIA POTENCIAL
GRAVITACIONAL É a energia
de um corpo que se encontra a
certa altura em relação a
determinado referencial. Uma
pedra de massa m nas mãos de
um garoto a uma altura h em
relação ao solo tem certa
energia armazenada – a energia
potencial gravitacional, que é
capaz de colocá-la em
movimento de queda das mãos
do garoto até o solo. Caso a
pedra seja solta e comece a se
mover, sua energia potencial
gravitacional é paulatinamente
convertida em energia cinética,
ao longo da queda.
ENERGIA 3 – ENERGIA POTENCIAL
ENERGIA POTENCIAL
GRAVITACIONAL A expressão
matemática que fornece a energia
potencial gravitacional de um
corpo é:
�������������������� = �� . �� . ℎ
ENERGIA 3 – ENERGIA POTENCIAL
ENERGIA POTENCIAL
ELÁSTICA
É a energia armazenada por
um corpo comprimido ou
esticado. Tem energia
potencial elástica uma mola
comprimida. Ou uma corda
elástica de bungee jumping,
que se estica, interrompendo
a queda do aventureiro que
saltou do alto de uma ponte.
Tanto para a mola quanto para
o elástico, vale uma regra: se
depois de comprimido ou
esticado o corpo for
abandonado, sua energia
potencial elástica será
transformada em energia
cinética.
ENERGIA 4 – ENERGIA MECÂNICA
Diversos fenômenos naturais e processos do dia a dia
envolvem transformações energéticas. Na queda de um
cometa ou asteroide, por exemplo, toda energia potencial
gravitacional se converte em energia cinética. No lançamento
de um satélite ou telescópio espacial, a energia térmica da
queima do combustível dos foguetes é convertida em energia
cinética. Nos sistemas mecânicos, toda conversão energética
envolve energia cinética e energia potencial (gravitacional ou
elástica). A energia mecânica de um corpo é a soma da
energia cinética e da energia potencial desse corpo.
���� = ��������������� +
��������������������
ENERGIA 4 – ENERGIA MECÂNICA
Sistema conservativo é aquele no qual todo tipo de força
dissipativa, como o atrito ou a resistência do ar, pode ser
desprezada. Em um sistema conservativo, a energia
mecânica permanece inalterada em qualquer tipo de
transformação. A energia mecânica inicial é igual à final.
No mundo real, sistemas conservativos