Diretoria de Ensino de Votorantim Oficina Pedagógica

Apresentação em tema: "Diretoria de Ensino de Votorantim Oficina Pedagógica"— Transcrição da apresentação:

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 também sou um elétron. Meu spin é negativo.
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 m = 9,1 x 10-31 kg e = 1,6 x 10-19 C Robert Millikan
mediu nossas massas e determinou, usando o resultado de Thomson, a nossa carga. m = 9,1 x kg e = 1,6 x C Robert Millikan 1868 – 1953 Nobel 1923

7 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. Modelo de Thomsom Modelo de Rutherford Modelo de Bohr Modelo de Bohr- Sommerfeld Modelo atual Orbitais: s, p, d,f

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
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. Na eletrização ocorre transferência de elétrons de um corpo para outro. Carga negativa “excesso de elétrons” Carga positiva “falta de elétrons”

10 Série triboelétrica Mais positivo Mais negativo Exemplo:
A série indica para onde nos transferimos quando 2 materiais são colocados em forte contato, como o atrito. 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 (-)

11 Condutores e Isolantes
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 Possuem elétrons “livres”. Eles podem se movimentar e levar energia de um ponto para outro. . Não possuem elétrons “livres”. As cargas ficam localizadas. O material isolante não transmite eletricidade. Eletrização e Neutralização por contato MATERIAL CONDUTOR

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

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

14 O experimento de Coulomb
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). O experimento de Coulomb Constante de Coulomb k = 9×109 N/C2·m2 Charles A Coulomb (1736 – 1806) F = kq1q2/d2 Inventou a balança de torção para medir a força elétrica entre duas esferas. Cargas elétricas Unidade de carga 1 coulomb = 1 C

15 Quantos de nós são necessários para constituirmos uma carga 1 C?
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? Carga elementar e = 1,6 x C 6,25 x 1018 cargas elementares são necessários para formar 1 C

16 Unid.(I) = Unid(q)/Unid(t) = C/s = 1 ampere = 1 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. Corrente elétrica Quantidade de cargas que passa por uma seção transversal do condutor no tempo Δt. I = q/Δt Corrente Elétrica Unid.(I) = Unid(q)/Unid(t) = C/s = 1 ampere = 1 A 1 miliampère = 1 mA = 10-3 A. 1 microampère = 1μA = 10-6 A. 1 nanoampère = 1 nA = 10-9 A.

17 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. Campo elétrico 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.

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

19 Energia potencial elétrica
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 Uma maçã cai sob ação do campo gravitacional de um ponto de maior EP para outro de menor EP Wc/grav = ΔEPgrav Energia potencial elétrica EP elec (A) > EP elec (B) ΔEPelec = (EPB – EPA) = ΔEC Energia que a carga armazena W c/forca elec = ∆EPelec = (EPA – EPB)

20 ΔV = W/q Potencial Elétrico e “Voltagem” W c/campo = EPA – EPB
[W c/campo] / q = [EPA]/q [EPB]/q ΔV Diferença de Potencial Tensão Voltagem VA Potencial elétrico em A VB Potencial elétrico em B ΔV = W/q Se for necessário W = 1 J para deslocar 6,25 x 1018 elétrons ( q = 1 C) entre 2 pontos de um campo elétrico, a “voltagem” entre estes pontos será ΔV = 1 volt. Unidade volt = joule/coulomb

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

22 Pilha Elétrica Alessandro Volta (1745 – 1827)
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 Alessandro Volta (1745 – 1827) Inventor da 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 ΔV Catodo anodo Potência transferida Pot = ΔV.I Circuito externo
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 A corrente elétrica transporta energia da pilha que é transformada em outra forma de energia nos dispositivos que ela encontra no circuito. ΔV anodo Potência transferida Pot = ΔV.I Circuito externo Quando fechado os elétrons movimentam-se do anodo (-) para o catodo (+).

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

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

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

27 O efeito Joule Pot = ∆V  I ∆V = R I Potdiss = (RI)I = RI2
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. O efeito Joule Transformação (dissipação) de energia elétrica em calor nas “resistências elétricas” Pot = ∆V  I   ∆V = R I  Potdiss = (RI)I = RI2 R → “ohm” I → “ampère”. Watts térmicos Obtém-se multiplicando a Potdiss pelo intervalo de tempo. Q = R.I2 x Δt (J) Q = [R.I2xΔt]/(4,18) [cal] Quantidade de calor

28 R = ρ (L/A) Resistência Elétrica e Resistividade Resistividade
20oC Material Resistiviidade r (ohm m) Prata 1.59 x10-8 Cobre 1.68 Alumínio 2.65 Tungstênio 5.6 Ferro 9.71 Platina 10.6 Manganês 48.2 Chumbo 22 Mercúrio 98 Nichrome (Ni,Fe,Cr alloy) 100 Constantan 49 Carbono (grafite) Germânio Vidro [ ] x1017 X10-8 Quartzo (fundido) 7.5 x 10-25 Borracha dura [1-100] x 1021 Resistividade Característica material R = ρ (L/A) Comprimento do condutor Área da secção transversal do condutor

29 O sentido da Corrente elétrica
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 Corrente Convencional Sentido convencional: oposto ao da “corrente de elétrons” eletrons eletrons Corrente Convencional

30 Em repouso não sentimos puxão nenhum! carga ↔ campo magnético
. 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 Só que em sentido oposto . Força Magnética s/carga em movimento
Partículas com “falta de elétrons” ou seja, positivamente eletrizadas, também sofrem o mesmo puxão. Só que em sentido oposto . Carga negativa Carga positiva q = carga; v = velocidade B = campo magnético F = q.v.B Força centrípeta Tende a fazer com que a partícula execute movimento circular Força Magnética s/carga em movimento

32 Regra da mão esquerda e Regra da mão direita
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 Depende da velocidade e do ângulo com que adentramos o campo magnético
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 O efeito motor F = B.I.L 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 B = campo magnético I = corrente elétrica L = comprimento do fio cortado pelas linhas de força F = B.I.L

35 Construindo um motorzinho elétrico

36 Campo criado por corrente elétrica ao redor de um fio
Nós também produzimos campo magnético quando em movimento. Isto foi observado pela primeira vez por Hans Christian Oersted em 1820. Campo criado por corrente elétrica ao redor de um fio REGRA DA MÃO DIREITA Dedo polegar Sentido da corrente convencional Outros dedos que envolvem o fio indicam o sentido do campo

37 Campo magnético numa espira percorrido por uma corrente elétrica.
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 A bobina passa a funcionar como um imã mais potente.
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 Indução eletromagnética
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 A Lei de Lenz, “a lei do contra”
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. = fem induzida (volts) B = campo magnético V = velocidade L = comprimento do fio no campo  = B.v.L

44 Geradores eletromagnéticos de eletricidade
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 eletromagnético de corrente contínua.
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 de Corrente Alternada Gerador químico Gerador eletromagnético de corrente contínua.

46 Energia sendo transmitido pelo ar.
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. Energia sendo transmitido pelo ar. Princípio dos transformadores. V2 = [N2/N1] x V1

47 BOA PROVA