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AULA 1- INTRODUÇÃO A ELECTRICIDADE E MAGNETISMO PDF

As forças fundamentais da natureza

• Gravitacional (1/r2)
– Matéria
• Eletromagnética (1/r2)
– Cargas elétricas, átomos, sólidos
• Nuclear Fraca
– Decaimento radioativo beta
• Nuclear forte
– Mantém o núcleo ligado (curto
alcance)

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Aula-1

A carga elétrica e a lei de Coulomb

Curso de Física Geral F-328 1º semestre, 2013         Gravitacional (1/r2)

Matéria

•           Eletromagnética (1/r2) Cargas elétricas, átomos, sólidos •          Nuclear Fraca Decaimento radioativo beta •          Nuclear forte Mantém o núcleo ligado (curto alcance) Eletricidade (eletrostática) Fenômeno já conhecido na Grécia antiga. Ao serem atritados, determinados materiais (âmbar, em particular), adquiriam a propriedade de atrair pequenos objetos (ação de uma força elétrica). Magnetismo (magnetostática) Os gregos também sabiam que determinadas pedras (chamadas de magnetita) atraíam limalhas de ferro (ação de uma força magnética). Eletromagnetismo No século XIX, após os trabalhos de Oersted e Faraday, Maxwell escreveu as equações que unificaram a eletricidade e o magnetismo, mostrando assim que ambos eram manifestações de um mesmo fenômeno, o eletromagnetismo. A carga elétrica está presente em todos os objetos, sendo uma propriedade intrínseca das partículas que constituem a matéria. Objetos em geral contêm quantidades iguais de dois tipos de carga: positiva e negativa. Tais objetos são eletricamente neutros. Contudo, se por exemplo atritarmos um pente num tecido qualquer, há transferência de carga de um para o outro e o pente fica carregado com um dos tipos de carga em excesso. Ele então passa a atrair pequenos objetos. Vidro atritado com seda ou plástico atritado com lã apresentam efeitos distintos. A escolha dos sinais das cargas é mera convenção. F328 – 1S2013                                                                                                          4 A estrutura e a natureza elétrica dos átomos são responsáveis pelas propriedades dos condutores e isolantes. Repetindo a experiência anterior com um bastão de metal neutro, ao invés de vidro, observa-se que há cargas com grande mobilidade: elétrons, “fluido” (assim se pensava) de carga negativa. Materiais como o cobre (metais) são chamados condutores, onde o excesso de carga concentra-se apenas numa determinada região, ao contrário dos isolantes, onde as cargas têm baixa mobilidade. Metais, soluções e corpo humano são exemplos de condutores. Vidro, papel, borracha, plásticos e água destilada são exemplos de isolantes. Antecipando a visão moderna da estrutura desses materiais isolantes                 condutores                               semicondutores Há ainda os chamados supercondutores, onde o fluido eletrônico ocorre sem resistência elétrica. Observa-se que cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. As forças formam um par de ação e reação ao longo da linha que une as cargas. Se a distância entre duas cargas q1 e q2 for r, o módulo da força eletrostática entre elas será dado por: F = k | q1 || q2 | r 2 (Lei de Coulomb) F21 Vetorialmente:                        →                  → r→  = r→ – r→    Þ rˆ  = r2 -r1 21        2        1 21       → r   r   2 -r→ 1   → =   1 q1 q2 rˆ (forma geral da Lei de balança de torção F21 4pe 0 2        21 21 Coulomb) Antecipando o conceito de corrente elétrica, a unidade de carga é o Coulomb, que é definida no SI como a carga transportada por uma corrente de 1 A que atravessa a seção reta de um fio durante 1 segundo. dq = i dt       No SI a constante eletrostática k é dada por 1   0   k º 4pe @ 8,99 ´109 N.m2 C2 A permissividade do vácuo, e 0 , é dada por e0 @ 8,85 ´10 -12 C2 N.m2 A lei de Coulomb: F =4pe |q1||q2 | r   2 12 r   2   1   0   A Lei da Gravitação:   F = G m1 m2 12 Átomo de Hidrogênio: |qe|=|qp|=1,6×10-19 C , r12 = 5,3×10-11 m (distância média entre o                                                   próton e o elétron). me = 9,1×10-31 kg,        mp = 1,67×10-27 kg e G = 6,67×10-11 N.m2/kg2 (constante universal gravitacional) Substituindo estes valores nas equações acima: Fe = 8,2 x 10-8 N                      Fg = 3,6 x 10-47 N Relação entre   Fe / Fg @
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2 x 1039 Estruturas dos Materiais: interação entre cargas. Imaginemos 2 prótons dentro de um núcleo atômico, separados por uma distância d @10-12 cm . Qual é a aceleração que um próton adquire sob a ação da força elétrica ente eles? Fel e2 = k d 2 @ 9,0 ´109 (1,6´10-19 )2 @ (10-14 )2 23´10-1 N a = Fel = mp 23´10-1 1,67´10-27 = 13´1026 m s2 »1026 g ! Se esta fosse a única força agindo sobre os prótons, o núcleo não poderia ser estável. Quem mantém o núcleo estável são as forças nucleares fortes. A lei de Coulomb: F =4pe |q1||q2 | r 2 12 1 0 Num sistema de n cargas: vale o princípio da superposição: → A força F1 sobre a carga q1devida a as outras (n-1) cargas é: F1 = F12 + F13 + … + F1n (soma vetorial) F13 F1n q 1 q2 F21 Observa-se que: F12 q3 n q   ×× ×× Fn1 F31 Fij = -Fji Movimento de cargas em um sistema de condutores: Indução Exemplo (indução de cargas) Duas esferas condutoras idênticas, eletricamente isoladas e muito afastadas. A quantização da carga Millikan determinou a carga elementar (eletrônica) como sendo e=1,6×10-19 C e portanto q=ne, onde n = ±1, ±2, … Mas a teoria do Modelo Padrão das partículas elementares prevê os quarks, que são partículas constituintes de prótons e nêutrons, de carga ±2e/3 ou ±e/3, porém de difícil detecção individual. O “quantum” de carga é muito pequeno. A conservação da carga Em todos os processos que ocorrem na natureza, desde a transferência de carga por atrito até as reações entre partículas elementares, a carga total (soma das cargas positivas e negativas) de um sistema isolado sempre se conserva. Ex: decaimento radioativo, aniquilação, produção de pares, etc. 238U à 234Th + 4He Z=92 Z= 90        Z=2 (decaimento radioativo: conservação de carga a nível nuclear).
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