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Diretoria de Ensino de Votorantim Oficina Pedagógica Adriana Ribeiro - PCOP de Física 4° Encontro IFUSP/Escola Curso: Energia – Prof. Cláudio Furukawa.

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1 Diretoria de Ensino de Votorantim Oficina Pedagógica Adriana Ribeiro - PCOP de Física 4° Encontro IFUSP/Escola Curso: Energia – Prof. Cláudio Furukawa Paulo Yamamura – FUNDUNESP

2 Eletricidade e Eletromagnetismo

3 Eletricidade Tudo depende do elétron

4 Eu sou um elétron ! Eu também sou um elétron. Meu spin é negativo. De resto, somos todos iguais. Nosso endereço é o átomo.

5 Existimos desde o Big Bang. A nossa idade? Mais de 15 bilhões de anos! Fomos identificados apenas no fim do séc.19. J.J. Thomson (1856 – 1940) Nobel 1906 Em 1899 Thomson, após 2 anos de experiência, relatou: 1.- Os raios catódicos são corpúsculos com carga elétrica 2.- Eles são constituintes do átomo 3.- Todos os corpúsculos têm a mesma razão (e/m) = 1,76x1011 C/kg Identifica-os com a unidade de carga elementar proposta por Helmholtz e batizada por Stoney de elétrons.

6 Robert Millikan mediu nossas massas e determinou, usando o resultado de Thomson, a nossa carga. Robert Millikan 1868 – 1953 Nobel 1923 m = 9,1 x kg e = 1,6 x C

7 Modelo de Thomsom Modelo de Rutherford Modelo de Bohr Modelo de Bohr- Sommerfeld Modelo atual Orbitais: s, p, d,f Muitos foram os modelos de átomos, nossa moradia. O atual leva em conta o Princípio da Incerteza. Não somos encontrados em endereços certos, mas em regiões prováveis.

8 Por termos cargas negativas, entre nós existe repulsão: cada um empurra o outro para mais longe possível. Porém entre nós e os prótons, que possuem cargas positivas, a atração é irresistível! Nos átomos somos numericamente iguais aos prótons existentes no núcleo, por isso os átomos apresentam-se, geralmente, neutros.

9 Na eletrização ocorre transferência de elétrons de um corpo para outro. Carga positiva falta de elétrons Carga negativa excesso de elétrons Como ocupamos regiões em torno do núcleo, sempre que adquirimos energia suficiente, podemos escapar do campo de influência do núcleo e passar de um material para outro. Isto ocorre na ELETRIZAÇÃO.

10 Série triboelétrica Mão humana Pele de coelho Vidro Nylon Seda Papel Borracha Acetato Poliéster isopor PVC Mais positivo Mais negativo Exemplo: vidro com seda Vidro (+) e seda (-) A série indica para onde nos transferimos quando 2 materiais são colocados em forte contato, como o atrito.

11 Em alguns materiais, muitos de nós, somos praticamente livres ou fracamente ligados ao núcleo do átomo. Temos a liberdade de compartilhar com diversos átomos e, sob influência externa, movimentamos através da matéria. Condutores e Isolantes. Não possuem elétrons livres. As cargas ficam localizadas. O material isolante não transmite eletricidade. Eletrização e Neutralização por contato MATERIAL CONDUTOR Possuem elétrons livres. Eles podem se movimentar e levar energia de um ponto para outro.

12 Processo de separação de cargas que ocorre num condutor sob influência de cargas externas. Indução eletrostática Temos muita mobilidade dentro de um condutor. Sob a influência de uma carga externa nós deixamos uma região negativa e outra positiva.

13 O eletróforo de Volta Eletrizando por indução O sinal da carga residente no corpo eletrizado é oposto ao da carga indutora. A nossa tendência é fugir para mais longe possível de outras cargas negativas. Principalmente quando um condutor permite que isto ocorra.

14 Inventou a balança de torção para medir a força elétrica entre duas esferas. O experimento de Coulomb F = k q 1 q 2 /d 2 Charles A Coulomb (1736 – 1806) Cargas elétricas Unidade de carga 1 coulomb = 1 C Constante de Coulomb k = 9×10 9 N/C 2 ·m 2 Entre nós, cargas negativas, a força elétrica é de repulsão. O mesmo ocorre entre cargas positivas. Porém entre nós e os prótons, a força é de atração, pois temos cargas de sinais contrários. Quanto mais próximos, mais intensa é a força elétrica (ela cresce com o inverso do quadrado da distância).

15 A nossa carga é chamada de carga elementar e é simbolizada pela letra e. Quantos de nós são necessários para constituirmos uma carga 1 C? 6,25 x cargas elementares são necessários para formar 1 C Carga elementar e = 1,6 x C

16 Corrente elétrica I = q/Δt Unid.(I) = Unid(q)/Unid(t) = C/s = 1 ampere = 1 A 1 miliampère = 1 mA = A. 1 microampère = 1μA = A. 1 nanoampère = 1 nA = A. Nos condutores, pelo fato de muito de nós sermos livres, podemos ser forçados a um movimento ordenado e assim constituir uma corrente elétrica. Como corrente elétrica, trabalhamos para aquecer, iluminar, movimentar motores,e outras coisas mais. Quantidade de cargas que passa por uma seção transversal do condutor no tempo Δt. Corrente Elétrica

17 Um corpo com carga Q possui nas suas vizinhanças um campo elétrico de maneira análoga ao campo gravitacional. Se a carga da partícula for positiva, o movimento é de aproximação. Se a carga da partícula for negativa, o movimento é de afastamento. Campo elétrico Muitas vezes somos forçados a nos movimentar para formar uma corrente elétrica. Quem nos obriga a isso é um campo elétrico. Se existir campo elétrico e dentro dele tivermos liberdade de movimento, haverá uma corrente elétrica.

18 As linhas de força saem de uma partícula com carga positiva e chegam em outra com carga negativa. Linhas de força Representação geométrica do campo elétrico Sentido da Força elétrica sobre uma carga Q Os elétrons, sob ação do campo, movem-se no sentido OPOSTO ao estabelecido para uma linha de força. Q > 0 sentido da linha de força Q < 0 sentido oposto da linha de força

19 Energia potencial elétrica W c/forca elec = EP elec = (EP A – EP B ) Uma partícula é positiva quando ela apresenta falta de elétrons. Veja o comportamento energético de uma partícula positiva num campo elétrico. É semelhante ao de uma massa no campo gravitacional EP elec (A) > EP elec (B) ΔEP elec = (EP B – EP A ) = ΔEC Uma maçã cai sob ação do campo gravitacional de um ponto de maior EP para outro de menor EP W c/grav = ΔEP grav Energia que a carga armazena

20 Potencial Elétrico e Voltagem W c/campo = EP A – EP B [W c/campo ] / q = [EP A ]/q - [EP B ]/q V A Potencial elétrico em A V B Potencial elétrico em B ΔVΔV Diferença de Potencial Tensão Voltagem ΔV = W/q Unidade volt = joule/coulomb Se for necessário W = 1 J para deslocar 6,25 x elétrons ( q = 1 C) entre 2 pontos de um campo elétrico, a voltagem entre estes pontos será ΔV = 1 volt.

21 Voltagem é quantidade de joules por coulomb que um campo disponibiliza. Nós, por meio da corrente elétrica, levamos esta energia para onde planejarem. B A ΔV voltagem Potência Elétrica ΔV = W/q W = V.q Pot = W/Δt = ΔV.q/Δt Pot = ΔV.I I = q/Δt Watt = [volt].[ampère]

22 Alessandro Volta (1745 – 1827) Inventor da Pilha Elétrica Não criamos nem destruímos energia, apenas a transportamos por meio de corrente elétrica. São as baterias, pilhas, acumuladores e os geradores elétricos quem disponibilizam a voltagem necessária para que possamos trabalhar. Pilha Elétrica Luigi Galvani descobriu atividade elétrica nos nervos de rãs. Alessandro Volta descobriu que a eletricidade também pode ser produzida por meios inorgânicos. Usando placas de zinco e cobre separados por tecidos molhados em solução ácida, construiu a primeira pilha (placas empilhadas umas sobre as outras.

23 A corrente elétrica transporta energia da pilha que é transformada em outra forma de energia nos dispositivos que ela encontra no circuito. ΔV ΔV Nos geradores químicos devido às reações químicas somos amontoados no anodo (-). Que briga...Cada um empurrando o outro!. Ficamos na expectativa da construção de um circuito elétrico que nos permita atingir o catodo (+) onde faltam elétrons Catodo anodo Circuito externo Quando fechado os elétrons movimentam-se do anodo (-) para o catodo (+). Potência transferida Pot = ΔV.I

24 Voltagem Depende do material usado. Zn e Cu : 1,10 volt Nas pilhas e baterias somos liberados dos átomos por reações químicas. Carga de uma bateria Q = I t A.h (ampere.hora) mA.h (miliampere.hora)

25 A B R Nos condutores metálicos o nosso movimento NÃO É livre como no vácuo. A estrutura metálica RESISTE à nossa passagem. Corrente elétrica I A resistência elétrica influi no fluxo de cargas ou seja, na corrente elétrica. Resistência elétrica

26 Georg Simon Ohm ( ), V = R I Resistência Elétrica Unid(R) = Unid(V)/Unid(I) Unid(R) = volt/ampère = ohm = Lei de Ohm

27 Transformação (dissipação) de energia elétrica em calor nas resistências elétricas Pot = V I V = R I Pot diss = (R I) I = R I 2 R ohm I ampère. O efeito Joule Não é fácil vencer a resistência de um condutor. Nessa luta parte da energia elétrica que transportamos transforma-se em calor. Nos aquecedores isto é importante, mas nos motores isto é indesejável. Quantidade de calor Q = R.I 2 x Δt (J) Q = [R.I2xΔt]/(4,18) [cal] Obtém-se multiplicando a Pot diss pelo intervalo de tempo. Watts térmicos

28 Resistividade 20 o C Material Resistiviidade (ohm m) Prata1.59x10 -8 Cobre1.68x10 -8 Alumínio2.65x10-8 Tungstênio5.6x10 -8 Ferro9.71x10 -8 Platina10.6x10 -8 Manganês48.2x10 -8 Chumbo22x10 -8 Mercúrio98x10 -8 Nichrome (Ni,Fe,Cr alloy) 100x10 -8 Constantan49x10 -8 Carbono (grafite) x10 -8 Germânio x10 -8 Vidro[ ] x10 17 X10 -8 Quartzo (fundido)7.5 x X10 -8 Borracha dura[1-100] x X10 -8 Resistência Elétrica e Resistividade R = ρ (L/A) Resistividade Característica material Comprimento do condutor Área da secção transversal do condutor

29 Antes de Thomsom e dos modelos atômicos, os estudiosos convencionaram que eram as cargas positivas as responsáveis pela corrente elétrica. O sentido da Corrente elétrica eletrons Corrente Convencional Sentido convencional: oposto ao da corrente de elétrons

30 . Quando entramos num campo magnético com certa velocidade, sofremos um puxão lateral que muda a direção de nosso movimento. Em repouso não sentimos puxão nenhum! Interação carga campo magnético + = campo entrando no plano Velocidade campo magnético Campo magnético plano da trajetória

31 Partículas com falta de elétrons ou seja, positivamente eletrizadas, também sofrem o mesmo puxão. Só que em sentido oposto. Carga negativaCarga positiva Força Magnética s/carga em movimento F = q.v.B Força centrípeta Tende a fazer com que a partícula execute movimento circular q = carga; v = velocidade B = campo magnético

32 O puxão que o campo aplica F é perpendicular, simultaneamente, a velocidade v e ao campo magnético B. Regra da mão esquerda e Regra da mão direita

33 Muitas vezes somos, nós e os prótons, capturados por um campo magnético. Depende da velocidade e do ângulo com que adentramos o campo magnético A carga pode ser capturada e entrar em movimento circular. A carga pode executar movimento helicoidal O movimento pode ser complexo como no caso da captura de partículas carregadas pelo campo mágnético terrestre. Estas partículas capturadas pelo campo magnético da Terra constituem os Cinturões de Van Allen

34 Quando percorremos um fio, imerso num campo magnético, mas não paralelo às linhas de força, também somos puxados lateralmente. É o princípio de um motor elétrico. O efeito motor F = B.I.L B = campo magnético I = corrente elétrica L = comprimento do fio cortado pelas linhas de força

35 Construindo um motorzinho elétrico

36 Nós também produzimos campo magnético quando em movimento. Isto foi observado pela primeira vez por Hans Christian Oersted em Dedo polegar Sentido da corrente convencional Outros dedos que envolvem o fio indicam o sentido do campo Campo criado por corrente elétrica ao redor de um fio REGRA DA MÃO DIREITA

37 Circulando ao longo de uma espira circular criamos um campo magnético. A espira passa a funcionar como um pequeno imã. Campo magnético numa espira percorrido por uma corrente elétrica.

38 Numa bobina damos muitas voltas e por isso criamos um campo magnético mais intenso. A bobina passa a funcionar como um imã mais potente. Campo magnético numa bobina

39 Nós criamos campo magnético quando em movimento. O oposto também é verdadeiro: quando as linhas de força de um campo magnético começam crescer ou diminuir sobre nós, aquela força lateral nos colocam em movimento. Indução eletromagnética Existindo movimento relativo entre imã e bobina Corrente eletrica no circuito Força eletromotriz induzida

40 Quando percorremos uma bobina podemos induzir fem em outra. A fem é induzida na bobina da esquerda somente quando o campo magnético da bobina ligada à pilha é ligada ou desligada.

41 No processo da indução eletromagnética, o nosso comportamento é ser do contra. Pois a corrente elétrica induzida é no sentido de criar um campo magnético que se opõe à variação do campo magnético indutor. A Lei de Lenz, a lei do contra Na aproximação, o imã sente um aumento do campo magnético indutor. A fem induzida na espira é tal que gera uma corrente elétrica que cria um campo magnético que se opõe à variação do campo magnético indutor. No afastamento, o imã sente diminuição do campo magnético indutor.

42 A Lei de Lenz explica.

43 Quando um pedaço de fio corta perpendicularmente as linhas de força de um campo magnético, somos jogados para uma extremidade do fio. Isto ocorre devido a fem induzida no fio e por que nos condutores somos elétrons livres. Força eletromotriz - fem Condutor movendo-se em campo magnético. As cargas separadas geram uma voltagem – denominada força eletromotriz - (fem). fem é o coração das fontes geradoras de eletricidade. = B.v.L = fem induzida (volts) B = campo magnético V = velocidade L = comprimento do fio no campo

44 Quando condutores em forma de espiras são girados num campo magnético nós participamos do processo de transformação de energia mecânica em energia elétrica. Geradores eletromagnéticos de eletricidade Energia Mecânica Energia Elétrica fem

45 Gerador de Corrente Alternada Nos geradores eletromagnéticos de corrente ficamos oscilando prá lá e prá cá. Por isso, nestes geradores, formamos uma CORRENTE ALTERNADA Nos geradores químicos todos nós movemos num mesmo sentido. Nestes, somos CORRENTE CONTÍNUA Gerador químico Gerador eletromagnético de corrente contínua.

46 Quando percorremos uma bobina na forma de corrente alternada criamos campo magnético também alternado. Assim podemos induzir o movimento de outros elétrons numa bobina próxima. Princípio dos transformadores. Energia sendo transmitido pelo ar. V 2 = [N 2 /N 1 ] x V 1

47 BOA PROVA


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