Física Geral Experimental III Ívina Assis Bibliografia Adotada HALLIDAY, D.; RESNICK, R., WALKER, J. Fundamentos da Física – Eletromagnetismo. Vol. 3, 8ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, TIPLER, P.A.; MOSCA,G. Física para Cientistas e Engenheiros: eletricidade, magnetismo e óptica. Vol.2, 5ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006 HEWITT, P.G. Física Conceitual. 9ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.

Visão Geral da Disciplina A Física Geral Experimental III é uma disciplina quantitativa e experimental, que pertence ao núcleo de conteúdos básicos dos cursos das áreas de exatas. As aulas práticas são realizadas no Laboratório de Física. A Física III divide-se em Eletrostática, Eletrodinâmica e Eletromagnetismo.

Competências Ao cursarem esta disciplina, espera-se que os alunos tenham adquirido previamente uma compreensão básica de Matemática (números, potenciação, regra de três, funções – equações e gráficos), Física I (Cinemática e Leis de Newton) e Cálculo (derivação e integração simples). Ao final do curso, espera-se que os alunos estejam mais familiarizados com o uso de instrumentos de medida, tenham desenvolvido habilidade na confecção de relatórios e que sejam capazes de relacionar os diversos problemas da sua profissão com os conceitos de Física. Além disso, o conteúdo desta disciplina contribuirá para um melhor entendimento de outras disciplinas dos cursos das áreas de exatas, como Fenômenos de transporte, Automação e Controle, Instalações Elétricas, Circuitos Elétricos, Eletrotécnica Geral, Máquinas Elétricas, Eletrônica, etc...

Contrato Didático Comunicação e envio de materiais Resolução dos Exercícios Disciplina da Turma (conversa paralela, celular) Cronograma Freqüência Atividades Avaliativas em grupo na sala de aula e no Laboratório (30 pontos) Avaliações Individuais (70 pontos) Avaliação de 2ª Chamada

Eletrostática

Carga Elétrica Carga é a quantidade fundamental presente em todos os fenômenos elétricos. As partículas positivas e negativas são os portadores de carga elétrica. As partículas elementares positivamente carregadas são os prótons e as negativamente carregadas são os elétrons. A unidade de carga elétrica no S.I. é Coulomb (C)

Condutores e Isolantes É fácil estabelecer corrente elétrica em metais porque um ou mais dos elétrons das camadas mais externas desses átomos não estão firmemente presos aos núcleos. Ao contrário, eles são praticamente livres para vagar pelo material. Tais materiais são chamados de condutores. Em outros materiais, borracha e vidro, por exemplo, os elétrons estão firmemente ligados e pertencem de fato a átomos individuais. Como esses materiais não possuem elétrons livres para vagar por entre outros átomos do material, são chamados isolantes.

Carga Elétrica Em um átomo neutro, existe o mesmo número de elétrons e prótons, de modo que a carga líquida é nula. Se um elétron for removido de um átomo, então ele não mais será neutro, ele estará, neste caso, eletrizado positivamente. Quando algo é eletrizado, ocorre a transferência de elétrons de um corpo para o outro, de modo que nenhuma carga foi destruída, a carga é então conservada.

Quantização da Carga elétrica Cargas de mesmo sinal se repelem Cargas de sinais opostos se atraem Q = n.e n=número de partículas e=carga elementar 1,6x C

Exemplo 01 Uma esfera metálica recebeu em sua superfície uma quantidade igual a 2,0 x 10 9 elétrons. Determine a carga elétrica dessa esfera.

Eletrização Eletrizamos objetos transferindo elétrons de um corpo para o outro. Podemos fazer isso por contato físico, como ocorre quando as substâncias são friccionadas, atritadas, uma na outra, ou simplesmente se tocam. Ou podemos redistribuir a carga de um objeto simplesmente colocando um objeto eletricamente carregado próximo a ele – isso é chamado de indução.

Eletrização por Atrito Os elétrons são transferidos de um corpo para o outro e estes adquirem cargas de sinais opostos.

Eletrização por Contato Cargas são transferidas de um corpo para o outro. Se os corpos tiverem dimensões iguais, a carga será distribuída igualmente para os dois condutores. Os corpos adquirem carga de mesmo sinal

Eletrização por Contato

Conservação das Cargas

Exemplo 02 Uma esfera está eletricamente neutra, inicialmente. Uma esfera de mesma dimensão, eletrizada com uma carga de + 4,0 C, toca a esfera neutra. Determine a carga final de cada uma das esferas.

Exemplo 03 Três esferas A, B e C, estão dispostas no vácuo. A tem carga + 2,0 C, B tem carga – 5,0 C e a esfera C está eletricamente neutra. Faz-se A tocar C e depois tocar B. Determine a carga final de cada uma das esferas.

Eletrização por Indução Aproxima-se o condutor carregado dos condutores neutros. O condutor carregado será o indutor e os condutores neutros, os induzidos. Durante essa aproximação, observa-se uma separação de cargas nos condutores neutros. Como o indutor é positivo, o induzido mais próximo do indutor ficará negativo e o induzido mais afastado ficará positivo.

Eletrização por Indução Agora com o indutor ainda próximo, separam-se os dois condutores que estão juntos. E por fim retira-se o indutor das proximidades dos outros dois corpos. Teremos como resultado os dois condutores que inicialmente eram neutros, agora carregados com cargas de sinais a opostos. Note que em momento algum houve o contato entre o condutor carregado e os condutores inicialmente neutros.

Exemplo 04 Dispõe-se de uma placa metálica M e de uma esferinha metálica P, suspensa por um fio isolante, inicialmente neutras e isoladas. Um feixe de luz violeta é lançado sobre a placa retirando partículas elementares da mesma. As figuras (1) a (4) adiante, ilustram o desenrolar dos fenômenos ocorridos. O que podemos afirmar com relação a carga elétrica na situação 04?

Lei de Coulomb A força elétrica, como a gravitacional, diminui com o inverso do quadrado da distância entre os corpos que se interagem.

Força Elétrica – Lei de Coulomb k 0 (constante elétrica do vácuo) = 9 x 10 9 N.m²/C² q = carga elétrica d = distância entre as cargas

Exemplo 01 Dois corpos pontuais em repouso, separados por certa distância e carregados eletricamente com cargas de sinais iguais, repelem-se de acordo com a Lei de Coulomb. a) Se a quantidade de carga de um dos corpos for triplicada, a força de repulsão elétrica permanecerá constante, aumentará (quantas vezes?) ou diminuirá (quantas vezes?)? b) Se forem mantidas as cargas iniciais, mas a distância entre os corpos for duplicada, a força de repulsão elétrica permanecerá constante, aumentará (quantas vezes?) ou diminuirá (quantas vezes?)?

Exemplo 02 Observe a figura que representa um triângulo eqüilátero. Nesse triângulo, três cargas elétricas puntuais de mesmo valor absoluto estão nos seus vértices. O vetor que melhor representa a força elétrica resultante sobre a carga do vértice 1 é:

Exemplo 03 A força de repulsão entre duas cargas elétricas puntiformes, que estão a 20 cm uma da outra, é 0,030 N. Esta força aumentará para 0,060 N se a distância entre as cargas for alterada para: a) 5,0 cm b) 10 cm c) 14 cm d) 28 cm e) 40 cm

Exemplo 04 No vácuo, são colocadas duas cargas elétricas puntiformes de 2,0 μC e 5,0 μC, distante 50 cm uma da outra. Calcule a intensidade da força de repulsão entre essas duas cargas.

Exemplo 05 Duas cargas puntiformes q 1 = + 2 μC e q 2 = - 6 μC estão fixas e separadas por uma distância de 600 mm no vácuo. Uma terceira carga q 3 = 3 μC é colocada no ponto médio do segmento que une as cargas. Qual é o módulo da força elétrica que atua sobre a carga q 3 ?

Exemplo 06 As cargas Q 1 = 9 μC e Q 3 = 25 μC estão fixas nos pontos A e B. Sabe-se que a carga Q 2 = 2 μC está em equilíbrio sob a ação de forças elétricas somente na posição indicada. Nestas condições determine o valor da distância x.