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2016 3ยบ ANO ELETROMAGNETISMO

3ยบ ANO ELETROMAGNETISMO Professor: Clรกudio Luigi E.E. Boa Vista

Sumário ELETROMAGNETISMO ................................................................................................................. 4 CONDUTORES E ISOLANTES ...................................................................................................... 4 Condutores ..................................................................................................................................... 4 Isolantes ......................................................................................................................................... 4 CARGA ELÉTRICA ..................................................................................................................... 4 Cálculo da carga elétrica de um corpo ........................................................................................... 5 PRINCIPIO DA CONSERVAÇÃO DA CARGA ELETRICA ........................................................ 6 PRINCÍPIO DA ATRAÇÃO E REPULSÃO .................................................................................... 6 PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO .................................................................................................. 6 Eletrização por Atrito ..................................................................................................................... 6 Eletrização por Contato .................................................................................................................. 6 Se o corpo eletrizado for positivo ...............................................................................................7 Se o corpo eletrizado for negativo ..............................................................................................7 Eletrização por Indução ................................................................................................................. 7 Se o indutor for positivo .............................................................................................................8 Se o indutor for negativo .............................................................................................................8 ELETROSCÓPIOS ................................................................................................................... 10 LEI DE COULOMB ........................................................................................................................... 10 CAMPO ELÉTRICO ....................................................................................................................... 12 DEFINIÇÃO MATEMÁTICA .................................................................................................... 12 CAMPO ELÉTRICO GERADO POR UMA CARGA PUNTIFORME ..................................... 13 LINHAS DE FORÇA ...................................................................................................................... 14 CAMPO ELÉTRICO UNIFORME ............................................................................................. 15 CAMPO ELETRICO GERADO POR UMA ESFERA CONDUTORA E ELETRIZADA ....... 15 BLINDAGEM ELETROSTÁTICA ................................................................................................ 16 ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA............................................................................................. 16 EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO.................................................................................................. 16 CAPACITOR DE PLACAS PARALELAS ................................................................................ 17 ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES ......................................................................................... 17 Em Série................................................................................................................................... 17 Em Paralelo.......................................................... .....................................................................18 Associação de capacitores............................................................................................................ 18 ELETRODINÂMICA - CORRENTE ELÉTRICA, LEIS DE OHM E RESISTORES .................. 19 CORRENTE ELÉTRICA ................................................................................................................ 19 Tipos de Corrente Elétrica ........................................................................................................... 20 3º ano EJA - Apostila 1 – E.E. Boa Vista - Professor: Cláudio Luigi

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Efeitos da Corrente Elétrica ......................................................................................................... 20 Efeito Joule............ ...................................................................................................................20 Efeito Magnético .......................................................................................................................20 Efeito Fisiológico ......................................................................................................................20 Corrente Contínua e Alternada .................................................................................................... 20 Sentido da Corrente Elétrica ........................................................................................................ 20 Intensidade da Corrente Elétrica (i) ............................................................................................. 20 Leis de OHM .................................................................................................................................... 21 1a Lei de Ohm .............................................................................................................................. 21 2ª Lei de Ohm .............................................................................................................................. 22 RESISTORES .................................................................................................................................. 23 Associação de resistores .............................................................................................................. 23 Associação em Série .................................................................................................................23 Associação em paralelo ................................................................................................................ 24 Potência Elétrica .............................................................................................................................. 25 APARELHOS DE MEDIDA ....................................................................................................... 26 Amperímetro .............................................................................................................................26 Voltímetro.......... .......................................................................................................................26 GERADORES E RECEPTORES .................................................................................................... 26 GERADORES.............................................................................................................................. 26 Força Eletromotriz ....................................................................................................................... 26 Resistência Interna ....................................................................................................................27 Representação de um Gerador ..................................................................................................27 Equação do Gerador ..................................................................................................................27 RECEPTORES ............................................................................................................................ 28 Força Contra Eletromotriz ........................................................................................................28 Resistência Interna ....................................................................................................................29 ELETROMAGNETISMO ............................................................................................................... 29 ÍMÃS ............................................................................................................................................ 29 Atividade magnética .................................................................................................................29 Orientação em relação à Terra ..................................................................................................29 Atração e Repulsão ...................................................................................................................30 Inseparabilidade dos polos ........................................................................................................30 LINHAS DE INDUÇÃO ................................................................................................................. 30 EXPERIÊNCIA DE OERSTED ...................................................................................................... 30 CAMPO MAGNÉTICO GERADO POR CORRENTES ELÉTRICAS ......................................... 31

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Regra do Tapa .................................................................................................................................. 34 Ondas Eletromagnéticas ................................................................................................................... 36 Princípio básico do eletromagnetismo ......................................................................................... 36 Espectro Eletromagnético ................................................................................................................ 37

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ELETROMAGNETISMO Eletromagnetismo é o ramo da Física que estuda o conjunto de fenômenos que dizem respeito à interação entre campos elétricos e magnéticos e sua inter-relação.

CONDUTORES E ISOLANTES Condutores Os materiais são ditos Condutores quando permitem, com certa facilidade, o deslocamento de cargas elétricas em seu interior. Podemos citar como exemplos os metais, o corpo humano e o grafite.

Isolantes Dizemos que um material é isolante se ele apresenta uma grande dificuldade à movimentação das cargas, elétricas em seu interior. São também denominados dielétricos São exemplos: a borracha, a mica e o ar. Observação: Existem ainda os semicondutores (de vital importância no desenvolvimento da eletrônica) e os supercondutores (cuja pesquisa vem se desenvolvendo muito nos últimos anos).

CARGA ELÉTRICA Para que possamos compreender todos os fenômenos que serão estudados, é importante que tenhamos uma clara noção do que vem a ser carga elétrica. Todos nós já tivemos contato com ela quando, por exemplo, atritamos uma régua aos cabelos e com ela atraímos pequenos pedaços de papel. Do modelo atômico de Rutherford, sabemos que um átomo possui uma partícula chamada próton, uma partícula chamada nêutron e uma outra partícula chamada elétron. Falamos que um corpo é eletricamente neutro, quando o número de prótons é igual ao número de elétrons. Esta característica nos faz concluir que cada próton tem seu efeito anulado por um elétron. Logo, a carga elétrica do próton tem o mesmo módulo da carga elétrica do elétron, apresentando, porém, um efeito contrário. Para denotar esta diferença, convencionou-se dizer que o próton possui carga elétrica positiva, ao passo que O elétron possui carga elétrica negativa. O módulo da carga do próton ou do elétron representa a menor carga elétrica livre na natureza e é chamada de carga elétrica elementar (ou fundamental), cujo símbolo é e. Assim:

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e  q p   q e   1,6 x10 19 Coulomb (C )

Um corpo que tenha excesso de prótons estará eletrizado positivamente, enquanto que, se o excesso for de elétrons, ele estará eletrizado negativamente. Podemos resumir estas características com o auxílio da tabela abaixo.

Nos. Prótons = Nos. elétrons

Nos. Prótons > Nos. elétrons

Nos. Prótons < Nos. elétrons

NEUTRO

POSITIVO

NEGATIVO

Observação: Com exceção de corpos radioativos e explosões de estrelas, apenas os elétrons possuem mobilidade. Assim, dizer que um corpo sólido apresenta um excesso de prótons significa dizer que ele perdeu elétrons.

Cálculo da carga elétrica de um corpo Para calcular a carga elétrica de um corpo, utiliza-se a seguinte expressão:

Q = ± n.e

Onde: * o sinal ± aparece pelo fato de a carga elétrica do corpo pode ser positiva ou negativa; *A letra n representa o número de elétrons em falta ou em excesso. * e = 1,6 x 10-19 C (é o valor da carga de uma elétron)

Exemplo: Sabemos que o valor da carga elétrica elementar é e = 1,6 x 10-19 C, calcule o número de elétrons que devemos retirar de um corpo neutro para que sua carga elétrica seja de 1 Coulomb (1C). SOLUÇÃO: Q = ± n.e => 1 = ± n. 1,6 x 10-19

n = 1 / 1,6 x 10-19

N = 6,25 x 1018 elétrons Como vimos no exemplo, uma carga elétrica de 1 C corresponde a uma quantidade muito grande de elétrons. Por isso, iremos utilizar com muita frequência alguns submúltiplos do Coulomb.

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Nome

Símbolo

Conversão

milicoulomb

mC

10-3 C

microcoulomb

μC

10-6 C

nanocoulomb

nC

10-9 C

picocoulomb

pC

10-12 C

PRINCIPIO DA CONSERVAÇÃO DA CARGA ELETRICA “Em um sistema eletricamente isolado, a carga elétrica se conserva." Este princípio estabelece que se não houver troca de cargas elétricas entre um sistema e o meio externo, a quantidade de carga permanecerá constante ao longo do tempo.

PRINCÍPIO DA ATRAÇÃO E REPULSÃO Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, ao passo que cargas elétricas de sinais contrários se atraem.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO Eletrização por Atrito Como o próprio nome está sugerindo, neste processo vamos esfregar dois corpos para que tenhamos a eletrização. Começaremos o processo com dois corpos neutros. Durante o atrito, o corpo que possuir maior afinidade por elétrons irá "roubar" alguns do outro corpo. Desta forma, após o atrito teremos dois corpos eletrizados com cargas de sinais opostos e mesmo módulo. O número de elétrons que foi doado por um corpo é igual ao número de elétrons recebido pelo outro. Este é o processo de eletrização entre uma régua e os nossos cabelos. Ao atritarmos estes dois corpos, haverá um fluxo de elétrons da régua para os fios de cabelo, fazendo com que a primeira fique positiva. Um outro exemplo deste processo de eletrização é o atrito entre a lataria de um automóvel e as moléculas de ar. Por causa deste atrito, o carro vai absorvendo elétrons do ar, eletrizando-se negativamente. Em dias muito secos, após um passeio, se você tocar a parte externa do automóvel é possível que você "tome" um choque.

Eletrização por Contato

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Para que possamos efetuar este processo, devemos começar com um corpo já eletrizado e um outro neutro. Encostamos os dois corpos por alguns instantes para que haja um movimento de elétrons. Logo após, separamos novamente os dois corpos. No final do processo, teremos dois corpos eletrizados com cargas de mesmo sinal.

Se o corpo eletrizado for positivo: Podemos estabelecer o contato entre os corpos através de um fio condutor. No momento em que o fio unir os corpos, haverá a passagem de certo número de elétrons de B para A, pois estas partículas serão fortemente atraídas pelas cargas positivas em excesso do corpo eletrizado. Os elétrons que chegarem em A farão com que o módulo de sua carga diminua. Por outro lado, o módulo da carga de B irá aumentar, pois ele está perdendo elétrons. Ao final do processo, teremos a mesma carga total do início. Porém, ela não está mais acumulada apenas em A.

Se o corpo eletrizado for negativo: Neste caso, os elétrons em excesso do corpo A estarão se repelindo mutuamente. Quando o fio ligar os dois corpos, alguns destes elétrons passarão para o corpo B. Como o corpo A perdeu alguns elétrons, sua carga diminui em módulo. Já o corpo B ganhando estes elétrons, ficará eletrizado negativamente. Também neste caso podemos dizer que houve conservação da carga elétrica, uma vez que os elétrons perdidos por A foram ganhos por B. Quando dissemos que uma pessoa pode "tomar" choque ao encostar na lataria de um automóvel eletrizado, estávamos nos referindo exatamente à eletrização por contato. Após todo o processo, os corpos que estabeleceram o contato somente terão cargas de mesmo módulo se tiverem dimensões idênticas (esferas de mesmo raio, por exemplo). Caso contrário, o corpo de maiores dimensões terá maior carga elétrica em módulo. Uma situação limite desta propriedade é o contato com a Terra. O tamanho de nosso planeta é infinitamente maior do que o dos corpos sobre ele. O contato entre estes corpos e a Terra conduz sempre à neutralização dos primeiros. Por este motivo é que motoristas que transportam combustíveis penduram uma corrente metálica na lataria do caminhão e esta fica em constante contato com o asfalto.

Eletrização por Indução Começaremos este processo com um corpo A eletrizado (que será chamado de indutor) e um outro corpo B neutro (induzido) inicialmente iremos aproximar os dois corpos, sem efetuar o contato. Por causa da atração elétrica, haverá um movimento de elétrons dentro de B. Logo após, ligaremos o induzido a Terra por alguns instantes. Finalmente, desfazemos este contato e teremos o corpo B eletrizado com carga de sinal oposto ao de A.

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Se o indutor for positivo: Ao aproximarmos os corpos, alguns elétrons de B migrarão para a sua extremidade mais próxima de A. Nesta situação, o induzido ainda está neutro. Note que ocorreu apenas uma separação de cargas positivas e negativas. Dizemos que, neste caso, o corpo B está polarizado.

O induzido fica sujeito a uma força de atração em seu polo negativo e uma de repulsão em seu polo positivo. A atração é mais intensa do que a repulsão, o que fará com que o corpo B seja atraído por A. Fazendo o contato com a Terra, teremos uma corrente de elétrons subindo para B para tentar neutralizar o seu polo positivo. Cortando-se o fio, os elétrons cedidos pela Terra permanecerão no induzido, fazendo com que ele fique eletrizado negativamente.

Se o indutor for negativo: A polarização do induzido será feita pela forte repulsão entre os elétrons em excesso do indutor e os elétrons do induzido. Ligando o induzido a Terra, alguns dos elétrons de B descerão através do fio, fazendo com que este fique eletrizado positivamente.

Observação: Para que ocorra a eletrização por indução, não é necessário que a ligação a Terra seja feita pela extremidade de B oposta a A. Mesmo se fizermos a ligação a partir da extremidade esquerda (ver figura anterior) do induzido, este ficará com carga elétrica de sinal oposto à do indutor.

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EXEMPLOS: 01) (PUC-CAMP) Dispõe-se de uma barra de vidro, um pano de lã e duas pequenas esferas condutoras, A e B, apoiadas em suportes isolados, todos eletricamente neutros. Atrita-se a barra de vidro com o pano de lã; a seguir coloca-se a barra de vidro em contato com a esfera A e o pano com a esfera B. Após essas operações: a) o pano de lã e a barra de vidro estarão neutros. b) o pano de lã atrairá a esfera A. c) as esferas A e B continuarão neutras d) a barra de vidro repelirá a esfera B. e) as esferas A e B se repelirão. Solução: Ao produzirmos o atrito entre a barra de vidro e a lã, estamos efetuando uma eletrização em que as cargas finais dos corpos possuem sinais opostos. O contato entre a barra de vidro e a esfera A faz com que estes dois corpos adquiram cargas de mesmo sinal, o mesmo acontecendo entre a lã e a esfera B. Todos os corpos da questão ficarão eletrizados após o processo. Como a lã e a esfera A possuem cargas de sinais opostos, elas irão se atrair. Logo, a resposta correta é a letra b. 02) Três esferas metálicas idênticas, A, B e C, possuem cargas elétricas respectivamente iguais a +Q, -3Q e +2Q. Inicialmente, é estabelecido o contato entre as esferas A e B. Após a separação, a esfera B é posta em contato com a esfera C. Podemos afirmar que as cargas elétricas das três esferas após todo o processo são: a) QA = -Q ; QB - +Q/2 ; Qc = +Q/2

c) QA =; QB = -Q ; Qc = -2Q

b) QA = +Q/2; QB = +Q/2 ; Qc = -Q

d) QA = -2Q ; QB = +Q/3 ; Qc = +Q/3

Solução: Como as três esferas são idênticas, podemos afirmar que as cargas elétricas após os contatos são iguais. Contato entre A e B:

Q AB 

Contato entre B e C: Q BC 

Q A  Q B Q A  (3Q )   Q AB  Q 2 2 Q B  QC ( Q )  ( 2Q ) Q   Q BC   2 2 2

Isto nos mostra que a esfera A (efetuou somente o primeiro contato) terá carga -Q, B (efetuou os dois contatos) terá carga +Q/2 e C (efetuou somente o segundo contato) ficará com +Q/2. Logo, a resposta correta é a letra a. 03) (UFV-mod.) Um estudante possui um bastão carregado positivamente e três esferas metálicas aparentemente idênticas. Dessas esferas, uma está eletrizada positivamente, uma está eletrizada negativamente e a outra está neutra. Utilizando apenas o bastão para qualquer verificação, qual (is) bolinha (s) o estudante conseguirá identificar? a) apenas a positiva.

d) apenas a positiva e a neutra.

b) apenas a negativa.

e) todas as bolinhas.

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c) apenas a neutra. Solução: Para resolvermos esta questão, devemos nos lembrar de que o bastão eletrizado positivamente irá produzir sobre as bolinhas os seguintes efeitos: • sobre a bolinha positiva: força de repulsão • sobre a bolinha negativa: força de atração • sobre a bolinha neutra: o bastão irá produzir sobre esta bolinha o fenômeno da indução eletrostática, fazendo com que esta apresente um pólo positivo (oposto à posição do bastão) e um pólo negativo (em frente para o bastão). Este fenômeno irá resultar em uma força de atração. Como podemos perceber, teremos duas bolinhas atraídas e apenas uma repelida. Desta forma, a, bolinha positiva será a única em que haverá um efeito diferente, podendo, portanto, ser identificada. Logo, a resposta correta é a letra a.

ELETROSCÓPIOS São aparelhos que nos informam se um determinado corpo está ou não eletrizado, mas estes não informam o sinal da carga.

LEI DE COULOMB Como já sabemos corpos que possuem cargas elétricas com o mesmo sinal irão se repelir e se possuírem sinais opostos irão se atrair. Coube ao físico Charles Coulomb mostrar como caucular a carga elétrica. Através de algumas experiências, Coulomb mostrou que a força elétrica é diretamente proporcional ao módulo de ambas as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, ou seja: Fe q1 . q 2 e Fe

1 r2

A partir destas análises, podemos traçar os gráficos da força elétrica em função do módulo de uma das cargas e em função da distância, que são:

A expressão matemática da Lei de Coulomb será, então:

F  k.

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q1 . q 2 r2

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Onde k representa a constante elétrica e é uma caracteristica do meio em que as cargas estão. O seu valor para o vácuo é: k0 = 9,0 x109 N.m2/C2.

Observação: 01) A força elétrica é uma força de campo, ou seja, pode ser aplicada sem que seja necessário haver contato entre os corpos. 02) Quando não for mencionado o meio em que as cargas estão, iremos considerar que estamos trabalhando 03) Em algumas questões de vestibular, a constante elétrica k é substituídapela expressão:

k

1 4

onde  é chamado de permissividade elétrica do meio

EXEMPLO: 01 ) (PUCMG) Duas cargas elétricas positivas estão separadas por uma distância d, no vácuo. Dobrando-se a distância que as separa, a força de repulsão entre elas: a) ficará dividida por 2.

d) ficará multiplicada por 4.

b) ficará multiplicada por 2.

e) não se alterará.

c) ficará dividida por 4. Solução: Vamos considerar que as cargas elétricas possuem módulo Q1 e Q2. Assim, a força elétrica de repulsão entre as cargas será F1. Pela Lei de Coulomb:

F1  k .

q1 . q 2

F2  k .

Q1 .Q2

r2

2d 

2

Dobrando-se a distância entre as cargas, a nova força de repulsão será F2.

 k.

Q1 .Q2 1  Q1 .Q2   . k . 2  4 4d 2 d 

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Logo, a resposta correia é a letra c.

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CAMPO ELÉTRICO A força elétrica é uma força de campo. Para que ela seja aplicada é necessário que exista um campo elétrico. Podemos dizer que uma certa carga elétrica modifica o espaço em torno dela no sentido de ser capaz de exercer força nas diversas outras cargas presentes neste espaço. Vamos imaginar uma certa carga elétrica Q fixa em um ponto do espaço. Dizemos que esta carga gera no espaço em volta dela um campo de força chamado Campo Elétrico. Toda carga elétrica q inserida nesta região ficará sujeita a uma força elétrica (F), aplicada por Q.

A carga Q recebe o nome de Carga Geradora e a carga q, Carga de Prova (Teste). O esquema seguinte ilustra o que foi dito. Esta denominação não está relacionada com o módulo das cargas elétricas em questão, como parece para muitas pessoas. Se estivermos estudando duas cargas, A e B, por exemplo, quando tentarmos identificar o campo elétrico de A, ela será a carga geradora e B será a de Prova. Ao trabalharmos com o campo elétrico de B, inverteremos os papéis descritos acima. Podemos notar, portanto, que qualquer carga elétrica gera um campo elétrico ao seu redor, independentemente de ser positiva ou negativa ou de possuir módulo pequeno ou grande.

DEFINIÇÃO MATEMÁTICA Já sabemos que se uma carga de prova q for colocada no campo elétrico de Q, haverá uma força elétrica entre elas. Como vimos, o valor dessa força elétrica é proporcional ao módulo das cargas (Lei de Coulomb). Se modificarmos somente o módulo de q, teremos, por consequência, uma modificação proporcional na intensidade da força. Acompanhe o esquema ao lado: Observando estes esquemas, podemos concluir que a razão entre a força elétrica e a carga de prova é constante em cada ponto do espaço. F/q = 2F/2q = 3F/3q = ... = constante 3º ano EJA - Apostila 1 – E.E. Boa Vista - Professor: Cláudio Luigi

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A esta constante damos o nome de Vetor Campo Elétrico (E). Assim: E = F/q A sua intensidade será dada por: E = F/q A sua unidade no S.I. será: [E] = [F] / [q] = N/C A direção do vetor campo elétrico será radial. Para entendermos o sentido do vetor campo elétrico, devemos lançar mão da sua definição matemática: E = F/q. Nesta igualdade podemos notar que se a carga de prova for positiva, os vetores E e F terão o mesmo sentido e se ela for negativa, sentidos opostos. Sobre este fato, temos quatro possibilidades:

Podemos tirar, então, uma regra geral destas observações: • Cargas elétricas positivas geram campo elétrico cujo sentido é de afastamento (divergente). Observe os dois primeiros casos. • Cargas elétricas negativas geram campo elétrico cujo sentido é de aproximação (convergente). Veja os casos 3 e 4. Observações: 1 - O campo elétrico atua nos pontos do espaço e não é influenciado pela existência da carga de prova. 2 - A força elétrica atua na carga de prova que pode ser inserida em um campo elétrico. 3 - Não se pode somar vetorialmente a força e o campo elétrico. Apesar de ambas as grandezas serem vetoriais, elas possuem propriedades diferentes.

CAMPO ELÉTRICO GERADO POR UMA CARGA PUNTIFORME

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Uma carga elétrica cujo tamanho pode ser desprezado é chamada de puntiforme. Vamos imaginar uma carga puntiforme geradora Q fixa em um ponto do espaço. Se inserirmos uma carga de prova q no campo elétrico de Q, a uma distância r, haverá a aplicação mútua de uma força elétrica. O módulo do campo elétrico neste ponto é dado por: E = F/|q|

(1)

Pela Lei de Coulomb, sabemos que a intensidade da força elétrica entre as cargas citadas é dada pela expressão: F = K |Q| |q| / r2

(2)

Substituindo (2) em (1), temos: E = K |Q| |q| / r2 / |q| Que pode ser simplificada para: E = K |Q | / r2 Esta é a maneira de calcularmos o módulo do campo elétrico gerado por cargas puntiformes. Note que o campo elétrico depende de apenas três fatores: 1. constante elétrica (k): representa o meio em que a carga geradora está imerso. 2. módulo da carga geradora (Q): o módulo do campo elétrico e o da carga geradora são diretamente proporcionais. 3. distância entre a carga geradora e o ponto considerado: o módulo do campo elétrico é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Observação: Se quisermos calcular o campo elétrico resultante em um ponto, devido à ação de várias cargas geradoras ao mesmo tempo, devemos determinar, isoladamente, o campo de cada carga e efetuar a soma vetorial entre eles.

Exemplo:

Calcule a intensidade do vetor campo elétrico, num ponto situado a 3,0 cm de uma carga elétrica puntiforme de 4C, no vácuo. DADO: K0 = 9x109 N.m2/C2

LINHAS DE FORÇA São linhas traçadas seguindo-se a trajetória de várias cargas de prova positivas em movimento dentro de um campo elétrico. Essas linhas representam a existência do campo elétrico em uma região. Para desenhá-las devemos seguir as seguintes propriedades: 1. As linhas de força saem de cargas positivas ou do infinito e chegam nas cargas negativas ou no infinito. 2. As linhas de força são tangenciadas, em todos os pontos, pelo campo elétrico. 3. Duas linhas de força nunca se cruzam.

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4. A densidade de linhas de força é proporcional à intensidade do campo elétrico.

CAMPO ELÉTRICO UNIFORME O campo elétrico em uma região será chamado de uniforme quando o vetor campo elétrico for constante (em módulo, direção e sentido) em todos os seus pontos. Para conseguirmos produzir um campo elétrico com essas características, podemos utilizar duas placas planas e paralelas, eletrizadas com cargas de mesmo módulo e sinais opostos.

Podemos observar que as linhas de força são paralelas e igualmente distanciadas umas das outras.

CAMPO ELETRICO GERADO POR UMA ESFERA CONDUTORA E ELETRIZADA Quando eletrizamos uma esfera, podemos verificar que as cargas elétricas em excesso tendem a se deslocar para a sua superfície externa. A explicação para esta característica está no fato de que estas cargas elétricas repelemse mutuamente. No instante em que todas as cargas em excesso estiverem na superfície da esfera, diremos que foi atingido o equilíbrio eletrostático. Nesta situação, podemos imaginar que o campo elétrico no interior da esfera é nulo, pois não há aplicação de força elétrica no sentido de trazer uma carga para dentro do corpo. Para um ponto fora da esfera, dizemos que o campo elétrico gerado por ela pode ser calculado considerando-se que toda a sua carga está localizada no centro. Podemos resumir estas informações da seguinte forma:

Imagine a esfera da figura seguinte com uma carga elétrica de módulo Q e raio R

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1. Para o ponto A, interno à esfera, o campo elÊtrico tem módulo nulo. EA = 0 2. Para o ponto B, na superfície da esfera, o campo eletrico tem módulo dado por: EB = K|Q| / R2 3. Para o ponto C, localizado a uma distância r da superfície da esfera, temos: EC = K.|Q| / (R + r)2

BLINDAGEM ELETROSTà TICA O fenômeno descrito no item anterior Ê muito mais geral, ou seja, Ê vålido quando o condutor não for esfÊrico. Podemos dizer que sempre que um condutor for eletrizado, as cargas elÊtricas que estão sobrando irão migrar para a sua superfície. Como consequência deste fato, teremos o campo QlÊtrico nulo no interior deste condutor. Esta característica Ê muito utilizada em aparelhos elÊtricos (rådios, por exemplo) como proteção contra influências externas. Vamos imaginar que um toca-fitas funcione envolto por uma peneira metålica. Se aparecer um campo elÊtrico externo (gerado por um raio, digamos), a peneira metålica terå cargas elÊtricas induzidas em sua superfície e o campo elÊtrico dentro dela serå nulo. Logo, o toca-fitas não serå influenciado pêlos agentes externos. A este fenômeno damos o nome de blindagem eletroståtica.

ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA As cargas elĂŠtricas em excesso de um corpo possuem uma certa quantidade de energia acumulada (chamada Energia Potencial ElĂŠtrica). O grĂĄfico Q x V abaixo vai nos ajudar a entender essa energia. A ĂĄrea (A) sob o grĂĄfico ĂŠ numericamente igual Ă Energia Potencial ElĂŠtrica acumulada pelas cargas elĂŠtricas. Assim: đ??¸đ?‘ƒ = đ??´ → đ??¸đ?‘ƒ =

�. � 2

EQUILĂ?BRIO ELETROSTĂ TICO Quando dois ou mais corpos estabelecem o contato, poderĂĄ haver um fluxo de cargas atĂŠ que o potencial elĂŠtrico de cada corpo seja o mesmo. Neste momento, diremos que foi atingido o equilĂ­brio eletrostĂĄtico.

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CAPACITOR DE PLACAS PARALELAS Capacitor (ou Condensador) ĂŠ um aparelho de circuito elĂŠtrico cuja função bĂĄsica ĂŠ acumular carga elĂŠtrica. A sua caracterĂ­stica principal ĂŠ a sua capacitância. A figura mostra um capacitor formado por duas placas metĂĄlicas paralelas e eletrizadas com carga de mesmo mĂłdulo e sinais opostos. Existe uma separação d e uma ddp entre as placas. ConvĂŠm lembrar que o campo elĂŠtrico entre as placas ĂŠ uniforme. Diremos que a carga do capacitor ĂŠ o mĂłdulo da carga de uma das suas placas. Como em todo condutor, a carga acumulada ĂŠ diretamente proporcional Ă ddp entre as placas. A relação ĂŠ: C=Q/V Podemos modificar a capacitância do capacitor atravĂŠs da alteração da sua carga ou do seu potencial. Para modificar a capacitância do capacitor, devemos alterar parâmetros geomĂŠtricos (a distância entre as placas e a ĂĄrea das placas) e/ou o meio que estĂĄ entre as placas. No caso de alterarmos os parâmetros geomĂŠtricos, a ĂĄrea (A) das placas ĂŠ diretamente proporcional e a distância (d) entre as placas ĂŠ inversamente proporcional Ă capacitância do capacitor. JĂĄ no caso do meio entre as placas, quanto melhor isolante (dielĂŠtrico) ele for, maior serĂĄ a capacitância do capacitor. A grandeza que irĂĄ medir o tipo de isolante que o meio serĂĄ ĂŠ chamada de permissividade elĂŠtrica (ď Ľ) do meio. A relação que existe entre todos estes fatores ĂŠ: đ??ś = ∈

đ??´ đ?‘‘

A representação esquemåtica de um capacitor em um circuito elÊtrico Ê:

ASSOCIAĂ‡ĂƒO DE CAPACITORES Podemos associar vĂĄrios capacitores para que o resultado final seja igual ao efeito produzido somente pelo capacitor pretendido. O capacitor associado serĂĄ chamado de capacitor equivalente. Existem duas maneiras de se associar capacitores.

Em SÊrie: Nesta maneira, a placa positiva de um capacitor estarå ligada na negativa do outro. Veja a figura. Na figura, podemos perceber na parte superior, os três capacitores C1,C2 e C3 que estãoassociados em sÊrie e na parte inferior, o capacitor equivalente da associação. As características dessa associação são: 1) A voltagem a que estarå submetido o capacitor equivalente Ê a SOMA das voltagens parciais de cada capacitor associado.

E como: � =

đ?‘„ đ??ś

→

đ?‘„ đ??ś

=

đ?‘„1 đ??ś1

=

đ?‘„2 đ??ś2

2) Todos os capacitores associados e tambĂŠm o equivalente possuern a MESMA carga elĂŠtrica. Da caracterĂ­stica 1, podemos tirar a seguinte relação: V = V1 + V2 + V3 . đ?‘„3 = . đ??ś3

Da caracterĂ­stica 2, as cargas sĂŁo iguais. Logo: đ??ś

1

đ??¸đ?‘„

=

1 đ??ś1

+

1 đ??ś2

+

1 đ??ś3

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Em Paralelo: Nesta forma de associação, as placas positivas de todos os capacitores estão ligadas a um mesmo ponto, o mesmo acontecendo com as placas negativas. A figura abaixo mostra uma associação em paralelo de três capacitores. Na parte superior da figura podemos notar três capacitores associados em paralelo e na parte inferior, o capacitor equivalente. As características dessa associação são: 1) A voltagem Ê a mesma para todos os capacitores associados e tambÊm para o capacitor equivalente. 2) A carga elÊtrica do capacitor equivalente Ê a soma das cargas de cada capacitor associado. A característica 2 nos mostra que: Q = Q1 + Q2 + Q3 . E como Q = CV: CEQ.V = C1V1 + C2V2 + C3V3. Da característica 1 podemos concluir que: CEQ = C1 + C2 + C3. Obs.: Podemos mesclar as duas formas de associação para obtermos o capacitor equivalente desejado.

Associação de capacitores. Calcule o capacitor equivalente na associação a seguir:

Solução: Pode-se notar que os capacitores de 4ď ­F e 12ď ­F estĂŁo em sĂŠrie e os de 10ď ­F, em paralelo. Assim: 1 1 1 3+1 4 = 4 + 12 = 12 = 12 → đ?‘’đ?‘ž1 = 3đ?œ‡đ??š e đ?‘’đ?‘ž 1

đ?‘’đ?‘ž2 = 10đ?œ‡đ??š + 10đ?œ‡đ??š + 10đ?œ‡đ??š → đ?‘’đ?‘ž2 = 30đ?œ‡đ??š Estes equivalentes parciais estĂŁo em sĂŠrie um com o outro. Dessa forma:

1 1 1 1 1 10 + 1 11 30 = + = + = = → đ??śđ?‘’đ?‘ž = đ?œ‡đ??š đ??śđ?‘’đ?‘ž đ?‘’đ?‘ž1 đ?‘’đ?‘ž2 3 30 30 30 11

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Exercícios: 1) (UFPA) A capacidade do capacitor equivalente à associação mostrada na figura abaixo é:

a. b. c. d. e.

2C /3 C /3 3C /2 2C 3C

2) (FAAP-SP) Associam-se em série três capacitores neutros com capacitâncias C1 = 20F, C2 = 50F e C3 = 100F. Calcule a capacitância equivalente do sistema.

ELETRODINÂMICA - CORRENTE ELÉTRICA, LEIS DE OHM E RESISTORES Eletrodinâmica estuda os efeitos das cargas elétricas em movimento ordenado. Com este estudo, saberemos um pouco mais a respeito do funcionamento de circuitos elétricos simples e de alguns aparelhos como o chuveiro e as pilhas. O capítulo é dedicado à corrente elétrica , as leis de Ohm e aos resistores.

CORRENTE ELÉTRICA Um fio metálico, por exemplo, possui uma infinidade de elétrons livres em sua estrutura por causa da ligação metálica entre os seus átomos. Naturalmente, estes elétrons apresentam um movimento completamente desordenado chamado de movimento caótico.

Se as extremidades deste fio forem ligadas aos terminais de uma pilha, os elétrons passam a se deslocar, ordenadamente, em direção ao polo positivo desta pilha. Isto se deve ao fato de a pilha gerar, ao longo do fio, um campo elétrico e, portanto uma diferença de potencial (ou tensão Elétrica) entre os extremos do fio. Lembre-se de que as cargas negativas se deslocam para pontos de maior potencial elétrico.

A este movimento ordenado dos elétrons, motivado pela pilha, denominamos corrente elétrica. Note que existem duas condições para que se estabeleça uma corrente elétrica em um condutor: 1 - deve existir um percurso fechado para que as cargas se desloquem. 2 - deve existir uma diferença de potencial entre as extremidades do condutor.

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Tipos de Corrente ElÊtrica O exemplo mencionado anteriormente serviu para entendermos o que Ê a corrente elÊtrica. PorÊm, não Ê a única maneira de obtermos um movimento ordenado de cargas elÊtricas. Quando a corrente elÊtrica for composta exclusivamente por elÊtrons, a chamamos de corrente eletrônica. São eletrônicas as correntes geradas em condutores sólidos, onde os elÊtrons são as partículas que possuam mobilidade. Neste caso, o movimento Ê sempre no sentido crescente dos potenciais elÊtricos. A velocidade dos elÊtrons em fios condutores Ê muito pequena. No entanto, no instante em que ligamos o interruptor, a lâmpada Ê acesa. Você saberia explicar o porquê? Por outro lado, em soluçþes aquosas e em gases ionizados, a corrente elÊtrica Ê composta pelo deslocamento de íons positivos em um sentido e íons negativos no sentido contrårio. Esta corrente Ê chamada de iônica.

Efeitos da Corrente ElĂŠtrica Efeito Joule: Quando uma corrente elĂŠtrica ĂŠ estabelecida em um certo condutor, parte da energia elĂŠtrica das cargas ĂŠ transformada em energia tĂŠrmica. Como consequĂŞncia deste fato, o condutor se aquece. Este ĂŠ o efeito Joule e acontece devido ao fato de o movimento dos elĂŠtrons nĂŁo ser totalmente desprovido de atritos. Existem certos aparelhos (chuveiro, ferro elĂŠtrico, ebulidor, etc.) que sĂŁo fabricados para produzir o efeito Joule.

Efeito MagnÊtico: Uma corrente elÊtrica gera um campo magnÊtico no espaço em torno do condutor que ela atravessa. Este efeito serå estudado com mais detalhes no Eletromagnetismo, onde veremos vårias aplicaçþes deste fenómeno.

Efeito Fisiológico: O corpo humano Ê um condutor de eletricidade. Quando Ê estabelecida uma diferença de potencial entre dois pontos do nosso corpo, temos uma sensação desagradåvel que chamamos de choque elÊtrico. Este Ê o efeito fisiológico.

Corrente ContĂ­nua e Alternada Corrente ContĂ­nua (Ce): É a corrente gerada por pilhas e baterias. Neste caso, as cargas executam um movimento ao longo de todo o circuito. Corrente Alternada (Ca): Neste tipo de corrente, as cargas apenas vibram entre dois extremos, nĂŁo havendo um deslocamento real. SĂł para que se tenha uma ideia, a frequĂŞncia dos elĂŠtrons na rede de distribuição elĂŠtrica no Brasil ĂŠ de 60 Hz, ou seja, 60 vibraçþes por segundo.

Sentido da Corrente ElĂŠtrica Apesar de sabermos que, em fios condutores, sĂŁo os elĂŠtrons que realmente se movimentam, utilizaremos como sentido da corrente elĂŠtrica, o sentido do movimento de cargas positivas, mesmo se ele nĂŁo existir. A este sentido damos o nome de convencional. As figuras seguintes mostram o sentido real e o convencional da corrente em um circuito simples.

Intensidade da Corrente ElĂŠtrica (i): Considere uma secção reta de um fio retilĂ­neo. Podemos contar a quantidade de carga elĂŠtrica que passa por esta secção em um certo intervalo de tempo ď „t. Definimos como intensidade da corrente elĂŠtrica (i) a relação entre a quantidade de carga elĂŠtrica (Q) que passa pela secção reta do fio e o intervalo de tempo (ď „t) gasto pelas cargas para passarem por tal secção reta. Matematicamente, temos: đ?‘– = |đ?‘„|/∆đ?‘Ą ou đ?‘– = đ?‘›. đ?‘’/∆đ?‘Ą Onde n representa o nĂşmero de cargas elĂŠtricas que passa pela secção reta do fio e representa a carga elĂŠtrica elementar.

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A unidade da intensidade da corrente elĂŠtrica serĂĄ, no S.l: |đ?‘–| =

|đ?‘„| đ?‘?đ?‘œđ?‘˘đ?‘™đ?‘œđ?‘šđ?‘? = = đ?‘Žđ?‘šđ?‘?èđ?‘&#x;đ?‘’ (đ?‘Ž) ∆đ?‘Ą đ?‘ đ?‘’đ?‘”đ?‘˘đ?‘›đ?‘‘đ?‘œđ?‘

1 ampere Ê a corrente que, estabelecida em um fio, representa a passagem de 1 coulomb de carga (ou seja, 6,25 x 1018 elÊtrons) a cada 1 segundo. Observação: Em todo gråfico da intensidade da corrente elÊtrica em função do tempo, a årea sob a curva Ê numericamente igual à quantidade de carga que atravessa o fio no intervalo de tempo considerado. Veja a figura.

ExercĂ­cios: 1) Em uma lâmpada incandescente de 40 w, a corrente elĂŠtrica tem intensidade de, aproximadamente, 0,40A. Calcule o nĂşmero de elĂŠtrons que atravessa uma secção reta do filamento da lâmpada a cada segundo. Solução: đ?‘–=

đ?‘›. đ?‘’ đ?‘–. ∆đ?‘Ą 0,40 .1 →đ?‘›= = = 0,25 đ?‘Ľ 1019 ∆đ?‘Ą đ?‘’ 1,6 đ?‘Ľ 10−19 đ?‘› = 2,5 đ?‘Ľ 1018 đ?‘’đ?‘™ĂŠđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘›đ?‘

Leis de OHM 1a Lei de Ohm Seja o condutor mostrado na figura seguinte. Como existe proporcionalidade entre V e i, podemos tirar as seguintes conclusĂľes: 1)

� �

2)

O grĂĄfico V x i serĂĄ uma reta que parte da origem e aponta para cima.

=

2� 2�

=

3� 3�

=â‹Ż=

�� ��

= đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘Ąđ?‘’

A partir da 1a conclusão, podemos definir uma grandeza muito importante no estudo da eletrodinâmica: Resistência ElÊtrica (R). Veja: Vamos imaginar dois condutores, A e B. No primeiro, uma tensão V A = 20 V produz uma corrente elÊtrica iA = 2,0 A. No segundo, a mesma tensão VB = 20 V gera uma corrente elÊtrica �B = 5,0 A. Note que, por algum motivo, o condutor A Ê mais resistente à passagem de corrente pois, para mesma diferença de potencial, a corrente nele Ê menos intensa (iA < iB ) Aplicando-se a 1 - Lei de Ohm, podemos observar que:

21

Condutor A:

đ?‘‰đ??´ đ?‘–đ??´

=

20 2

Condutor B:

đ?‘‰đ??ľ đ?‘–đ??ľ

=

20 5

= 10 đ?‘‰â „đ??´ => ĂŠ necessĂĄria uma diferença de potencial de 10 V para se produzir 1,0 A de corrente. = 4,0 đ?‘‰â „đ??´ => ĂŠ necessĂĄria apenas 4,0 V para se produzir a mesma corrente

elÊtrica de 1,0 A. �

A constante obtida pela relação đ?‘– irĂĄ nos informar a tensĂŁo necessĂĄria pare se produzir uma corrente elĂŠtrica de 1 ampère em um condutor. Note que esta informação estĂĄ relacionada com a oposição que o condutor oferece Ă passagem da corrente elĂŠtrica. A esta caracterĂ­stica damos o nome de ResistĂŞncia ElĂŠtrica. Dessa forma: đ?‘…= A unidade ĂŠ

� �

Volt Ampère

= ohm (ď —).

Observaçþes: 1) Existem condutores em que a resistĂŞncia nĂŁo ĂŠ constante. Eles sĂŁo chamados de condutores nĂŁoĂ´hmicos. Aqueles condutores que obedecem a 1ÂŞ lei de Ohm sĂŁo denominados condutores Ă´hmicos. đ?‘‰ 2) Mesmo para os condutores nĂŁo-Ă´hmicos ĂŠ vĂĄlida a relação đ?‘… = đ?‘– . Nestes, porĂŠm, a razĂŁo entre a diferença de potencial e a intensidade da corrente, ou seja, a resistĂŞncia elĂŠtrica do condutor, varia. Note que se a resistĂŞncia elĂŠtrica variar, o grĂĄfico da tensĂŁo em função da corrente nĂŁo serĂĄ uma reta pois estas grandezas nĂŁo serĂŁo diretamente proporcionais. ExercĂ­cio: 1) (PUC-MG) Um condutor Ă´hmico tem resistĂŞncia elĂŠtrica igual a 10 W. Quando atravessado por uma corrente elĂŠtrica de 10 A, a diferença de potencial elĂŠtrico entre seus extremos vale: đ?‘…=

� �

→ đ?‘‰ = đ?‘…. đ?‘– → đ?‘‰ = 10 .10 = 100 đ?‘‰ đ?‘œđ?‘˘ 1,0 đ?‘Ľ 102 đ?‘‰

2ÂŞ Lei de Ohm. A 1ÂŞ Lei de Ohm nos fornece uma definição macroscĂłpica da resistĂŞncia elĂŠtrica. Isto significa que podemos calcular a resistĂŞncia elĂŠtrica de um condutor sem nos preocuparmos com a sua constituição interna. Em um laboratĂłrio, basta efetuarmos uma sĂŠrie de medidas da diferença de potencial aplicada ao condutor e as respectivas intensidades da corrente elĂŠtrica, que temos condiçþes de determinar a resistĂŞncia elĂŠtrica deste condutor. PorĂŠm, pelo fato de haver a proporcionalidade entre a tensĂŁo e a intensidade da corrente elĂŠtrica, o valor da resistĂŞncia elĂŠtrica de um condutor nĂŁo depende das duas grandezas citadas (se, por exemplo, duplicarmos a tensĂŁo, a intensidade da corrente serĂĄ, tambĂŠm, duplicada). De que forma deveremos proceder se quisermos modificar a resistĂŞncia elĂŠtrica de um condutor? A 2ÂŞ Lei de Ohm irĂĄ nos mostrar os fatores que efetivamente influenciam na resistĂŞncia de um condutor. Seja um pedaço de um condutor metĂĄlico, de comprimento l e ĂĄrea da secção reta constante e igual a A. A resistĂŞncia elĂŠtrica do fio ĂŠ diretamente proporcional ao comprimento e inversamente proporcional Ă ĂĄrea da sua secção reta. Matematicamente, a 2ÂŞ lei de Ohm pode ser expressa da seguinte forma: đ?‘…= đ?œŒ

đ?‘™ đ??´

Onde ď ˛ ĂŠ chamado de resistividade e representa uma caracterĂ­stica de cada substância. Na verdade, a resistividade varia em função da temperatura do condutor. PorĂŠm, quando estivermos estudando um condutor Ă´hmico, consideraremos esta grandeza constante para o intervalo de

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temperaturas que este condutor pode atingir. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade da resistividade ĂŠ o ď —.m. ExercĂ­cio: 1) Um fio de cobre tem comprimento de 80 m e secção reta de 0,4 mm2. A resistividade do cobre a 0ÂşC ĂŠ 1,72 x 10-8 ď —m. Determine a resistĂŞncia desse fio a 0 ÂşC. Devemos primeiramente converter a secção reta que estĂĄ dada em mm2 para m2: A = 0,4 mm2 = 0,4 x 106 m2. đ?‘…= đ?œŒ

đ?‘™ đ??´

= 1,72 đ?‘Ľ 10−8

80 0,4 đ?‘Ľ 10−6

→ đ?‘… = 3,44 ď —.

RESISTORES: A função båsica de um resitor Ê transformar a energia elÊtrica em energia tÊrmica (efeito Joule). Um resistor, quando inserido em um circuito elÊtrico, irå dissipar uma certa quantidade de energia elÊtrica e, por isso, irå criar uma queda de tensão (diminuição do potencial elÊtrico) entre os seus terminais. Podemos representar um resistor atravÊs dos seguintes símbolos:

ou

Encontramos resistores em chuveiros, ebulidores, ferros de passar roupa e na maioria dos circuitos elĂŠtricos. Os resistores podem ser utilizados para controlar a intensidade da corrente elĂŠtrica. Imagine um resistor sendo percorrido por uma corrente elĂŠtrica de intensidade i, no sentido de A para B da figura. Como o resistor consome energia elĂŠtrica, podemos afirmar que as cargas elĂŠtricas terĂŁo menor potencial elĂŠtrico em B do que em A. A esta queda de tensĂŁo, relacionamos uma diferença de potencial VAB = VA - VB. Pela 1ÂŞ Lei de Ohm: đ?‘… =

đ?‘‰đ??´đ??ľ đ?‘–

→ đ?‘‰ = đ?‘…. đ?‘–, que ĂŠ a equação dos resistores.

Associação de resistores

Na construção de um circuito elĂŠtrico, nem sempre teremos Ă mĂŁo um resistor cuja resistĂŞncia ĂŠ a necessĂĄria para o seu perfeito funcionamento. Entretanto, ĂŠ possĂ­vel associarmos resistores para produzirmos o mesmo efeito da resistĂŞncia desejada. Ao resistor que, sozinho, faria o mesmo papel de todos os associados damos o nome de RESISTOR EQUIVALENTE (REQ). Basicamente, hĂĄ duas maneira de associarmos resistores: em SÉRIE e em PARALELO.

Associação em SĂŠrie É quando a extremidade de um resistor estĂĄ ligada Ă origem do seguinte, formando um trajeto Ăşnico para a corrente elĂŠtrica. Neste tipo de ligação, a intensidade da corrente elĂŠtrica ĂŠ a mesma em todos os resistores.

=>

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Como V = Ri, podemos estabelecer que a diferença de potencial em cada resistor serå proporcional aos valores das resistências dos resistores associados. Assim: V1R1i; V2 = R2i e V3 = R 3 i (01) O resistor equivalente Ê aquele que, percorrido pela mesma corrente elÊtrica i, fica submetido a uma tensão V = V1 + V2 + V3 (02) Note que V = REQ i (03). Substituindo (01 ) e (03) em (02), temos: REQi = R1i + R2i + R3i R EQ= R 1+ R 2 + R 3

que Ê a maneira de calcularmos a resistência equivalente na associação em sÊrie. Observaçþes: 1) O valor da resistência equivalente Ê maior do que o valor de cada resistência associada. AlÊm disso, quanto mais resistores estiverem associados em sÊrie, maior serå a resistência equivalente e, portanto, menor serå a intensidade da corrente elÊtrica. 2) Em uma ligação em sÊrie, se um dos resistores for desligado, todos os outros deixarão de funcionar pois o circuito estarå interrompido.

Associação em paralelo: Este tipo de ligação Ê feito, conectando-se os resistores entre os mesmos pontos de um circuito, de tal forma que podemos submetê-los a uma mesma diferença de potencial. Veja:

ďƒ°

A corrente elÊtrica, ao chegar no ponto A, irå se dividir, de tal forma que, quanto maior a resistência de um ramo, menor serå a intensidade da corrente elÊtrica neste ramo. O resistor equivalente Ê aquele que, submetido à mesma tensão V, Ê percorrido pela corrente elÊtrica total i = i1 + i2 + i3 (01) �

Como V = R.i => đ?‘– = đ?‘…. Assim: đ?‘– =

đ?‘‰ ; đ?‘–1 đ?‘…đ??¸đ?‘„

=

� ; �2 �1

Substituindo as equaçþes (02) em (01), temos:

đ?‘‰ đ?‘…đ??¸đ?‘„

= =

� ; �3 �2 � �1

+

=

� �2

+

� �3

(02)

� �3

1 1 1 1 = + + đ?‘…đ??¸đ?‘„ đ?‘…1 đ?‘…2 đ?‘…3 que ĂŠ a maneira de calcularmos a resistĂŞncia equivalente na associação em paralelo. Observaçþes: 1) O valor da resistĂŞncia equivalente ĂŠ menor do que o de cada resistĂŞncia associada. Quanto mais resistores forem ligados em paralelo, menor serĂĄ a resistĂŞncia equivalente e maior a intensidade da corrente elĂŠtrica. 2) Quando tivermos somente dois resistores, R1 e R2, associados em paralelo, a resistĂŞncia equivalente pode ser determinada pela seguinte regra prĂĄtica.

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3) No caso de termos uma associação de N resistores iguais a R, a resistência equivalente pode ser determinada da seguinte forma:

Exercício: Determinar a resistência do resistor equivalente entre os pontos A e B das associaçþes abaixo.

PotĂŞncia ElĂŠtrica Quando as cargas elĂŠtricas atravessam um resistor, ocorre uma transformação de energia. A esta transformação podemos associar um trabalho realizado. A potĂŞncia elĂŠtrica relacionada a este trabalho ĂŠ: đ?‘ƒ=

đ?‘Š ∆đ?‘Ą

=

đ?‘ž . (đ?‘‰đ??´âˆ’ đ?‘‰đ??ľ ) ∆đ?‘Ą

, mas q / ď „t = i.

Assim P = Vi

Esta ĂŠ uma expressĂŁo geral para o cĂĄlculo da potĂŞncia elĂŠtrica, seja para resistores ou para outros aparelhos que ainda serĂŁo estudados. Quando trabalharmos com um resistor, especificamente, alĂŠm da expressĂŁo anterior, existem duas outras. Veja: P = V.i

masV = R.i ;

P = R. i2

Assim, P = (R.i).i

Esta expressão pode ser utilizada facilmente quando os aparelhos estiverem ligados em sÊrie pois, neste tipo de associação, a corrente elÊtrica Ê a mesma em todos eles. Neste caso, quanto maior a resistência de um resistor, maior serå a potência por ele dissipada. P = V.i

mas i = V / R:

đ?‘˝

Assim, � = �. �

�=

đ?‘˝đ?&#x;? đ?‘š

Quando os aparelhos estiverem ligados em paralelo, a tensão elÊtrica Ê a mesma sobre eles. Assim, podemos perceber que, neste caso, a potência dissipada por um resistor Ê inversamente proporcional à sua resistência elÊtrica. Esta situação Ê de muito interesse para nós pois, em nossas residências, a ligação, Ê feita em paralelo, basicamente. Assim, quando mudamos a posição de um chuveiro de verão para inverno, estamos aumentando a sua potência. Para isto ocorrer devemos, portanto, diminuir a sua resistência elÊtrica. Exercício: 1 - (FUVEST) Um aquecedor elÊtrico dissipa 240 W quando ligado a uma bateria de 12 V. A corrente que percorre o resistor Ê: a. 0,050 A

b. 0,60 A

c. 1,67 A

d. 20 A

e. 2880 A

2 - (Unb) Um cidadĂŁo que morava em BrasĂ­lia, onde a voltagem ĂŠ de 220 volts, mudou-se para o Rio de Janeiro, onde a voltagem ĂŠ de 110 volts. Para que tenha a mesma potĂŞncia no chuveiro elĂŠtrico, ele deverĂĄ modificar a resistĂŞncia para: a) 1/4 da resistĂŞncia original

c) 2 vezes a resistĂŞncia original

b) 1/2 da resistĂŞncia original

d) 4 vezes a resistĂŞncia original

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APARELHOS DE MEDIDA Amperímetro É o aparelho destinado a medição da intensidade da corrente elétrica. Ele deve ser ligado em série ao ramo do circuito onde queremos saber esta intensidade. Além disso, para que o amperímetro forneça uma leitura o mais precisa possível, a sua resistência elétrica deve ser muito pequena pois, dessa forma, ele não irá alterar sensivelmente o valor da resistência equivalente. Na grande maioria dos exercícios, estaremos considerando o amperímetro ideal, ou seja, aquele que possui resistência elétrica nula. O seu símbolo em um circuito elétrico é:

Voltímetro Como o próprio nome sugere, este aparelho mede a diferença de potencial entre os pontos do circuito em que ele for ligado. Para tanto, ele deve possuir resistência elétrica muito grande pois a corrente elétrica que o atravessa não pode ser significativa. Além disso, o Voltímetro é ligado em paralelo. O Voltímetro ideal é aquele que possui resistência elétrica infinita. A sua representação esquemática em um circuito é: Observação: Existem outros aparelhos de medida na Eletrodinâmica como, por exemplo, o Ohmímetro (destinado a medir resistência elétrica). Porém, iremos nos preocupar apenas com os dois anteriores. Existe um aparelho, chamado Multímetro, que engloba as funções do Amperímetro, do Voltímetro e do Ohmímetro.

GERADORES E RECEPTORES GERADORES Já sabemos que uma pilha, por exemplo, tem a capacidade de gerar um campo elétrico ao longo do circuito e, por isso, ela pode promover uma ordenação ao movimento dos elétrons em um fio metálico. Esta característica nos indica que a pilha cria uma diferença de potencial entre os pontos do circuito, o que faz com que haja uma corrente elétrica. A pilha é um exemplo de um tipo de aparelho cuja função básica é transformar uma forma qualquer de energia em energia elétrica. Este aparelho recebe o nome de GERADOR. Características de um Gerador: Todo gerador possui duas características principais: a sua força eletromotriz e a sua resistência interna.

Força Eletromotriz (fem ou ): Um gerador sempre possui dois pólos com sinais opostos. Pensando no sentido convencional da corrente, as cargas positivas do circuito se movimentam, ordenadamente, no sentido do seu pólo negativo. A tendência é que, ao chegarem neste pólo, estas cargas permaneçam lá. É neste instante que entra o papel do gerador, propriamente dito. Através do consumo de uma forma qualquer de energia (no caso de uma pilha, a energia consumida é elétrica), o gerador realiza um trabalho sobre as cargas no sentido de levá-las até o pólo positivo. Veja:

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Este deslocamento é, obviamente, forçado. Quando estas cargas chegam ao pólo positivo, elas iniciam um novo deslocamento ao longo do circuito externo. Chamamos de força eletromotriz de um gerador à razão entre o módulo do trabalho por ela realizado sobre as cargas elétricas e a quantidade de carga que o atravessa. Matematicamente, temos: Ε = WAB / q Note que a unidade da força eletromotriz é o joule/coulomb que recebe o nome de volt. Assim, afem é uma diferença de potencial e não uma força, como o seu nome pode, a principio, sugerir. Quando dizemos que uma pilha tem fem de 1,5 V, estamos falando que ela fornece 1,5 J de energia elétrica para cada 1,0 C de carga que a atravessa. A força eletromotriz é a diferença de potencial total criada pelo gerador em um circuito.

Resistência Interna (r): As cargas elétricas que atravessam o gerador recebem uma certa quantidade de energia elétrica. Este fato pode ser comprovado pois o gerador realiza sobre estas cargas um trabalho. Porém, parte desta energia já é gasta no deslocamento que é feito dentro do próprio gerador (uma pilha, após um certo tempo de funcionamento, tem a sua temperatura aumentada). Isto nos sugere que os geradores possuam, internamente, alguma resistência elétrica. A esta resistência damos o nome de Resistência Interna.

Representação de um Gerador: O gerador é representado em um circuito da seguinte forma: Onde a barra maior é o seu pólo positivo e a menor, o pólo negativo. O resistor desenhado ao lado das barras representa a sua resistência interna. Note que estão representados no esquema a força eletromotriz e a diferença de potencial (V) efetivamente liberada para o circuito externo. Esta é ddp é menor do que a força eletromotriz pois as cargas gastam energia dentro do gerador.

Equação do Gerador: Note que as cargas elétricas recebem uma quantidade de energia do gerador (total) e dissipam parte desta energia (perdida) durante o deslocamento dentro dele. A energia (útil) que estas cargas terão, ao abandonar o gerador, será, portanto, a diferença entre as quantidades de energia recebida e dissipada. Podemos utilizar também a noção de potência elétrica. Desta forma, a potência útil (Pu) é igual à diferença entre as potências total (PT) e dissipada (PD). Assim: Pu = P T - PD Onde: Pu = V. i;

PT=ε.i;

PD = r . i2

Substituindo as expressões na equação da potência, temos: V. i = ε . i - r. i2 E dividindo os termos por i.

V=ε–r.i

Que é a equação do gerador

Utilizando a equação do gerador podemos esboçar a sua curva característica. A função deduzida é do 1º grau, o que sugere que o gráfico V x i seja uma reta (inclinada para baixo). Os pontos A e B do gráfico são de fundamental importância para nós. O ponto A corresponde a uma corrente elétrica nula, ou seja, o gerador não está ligado a um circuito (gerador em aberto). Substituindo i = 0 na equação do gerador, temos: V = ε r . i = > V = ε - r . O = > V = ε. Este ponto representa, portanto, o valor da força eletromotriz do gerador. Já o ponto B é o ponto em que V = 0. Isto significa que as cargas elétricas consomem toda a energia dentro do próprio gerador e, portanto, o circuito externo não funciona. Para tal fato acontecer, devemos ligar um fio de resistência muito baixa aos pólos do gerador, promovendo um curto-circuito. A corrente elétrica terá sua intensidade máxima e poderá ser calculada por: V = ε - r. i => 0 = ε - r. icc => icc = - ε / r

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Observaçþes 1) Um gerador Ê chamado de ideal quando sua resistência interna for nula. Neste caso, a tensão (V) fornecida ao circuito serå a sua própria força eletromotriz e o seu gråfico serå uma reta paralela ao eixo horizontal. Na pråtica, não existem geradores dessa forma. 2) Os geradores podem ser associados da mesma forma que os resistores. Isto Ê verificado, por exemplo, com as pilhas em um rådio. Podemos associar em paralelo somente geradores que possuam a mesma força eletromotriz. Neste caso, o gerador equivalente terå a mesma força eletromotriz daqueles associados e uma resistência interna equivalente que Ê calculada da maneira que aprendemos no estudo dos resistores. Quando a associação de geradores for feita em sÊrie, o equivalente terå uma força eletromotriz que Ê a soma das fem dos geradores associados. TambÊm neste caso, calculamos a resistência equivalente tal qual o fazemos para resistores em sÊrie. Exercícios: (UFMG) O circuito apresentado Ê constituído por uma bateria de força eletromotriz e e resistência interna não nula, dois resistores ligados em paralelo, dois amperímetros (A1 e A2) e dois voltímetros (V1 e V2). Inicialmente a chave C estå ligada. Desligando-se a chave C, todos os fatos abaixo ocorrerão EXCETO: a) aumento da resistência equivalente b) diminuição na leitura do amperímetro A1 c) aumento na leitura do amperímetro A2 d) aumento na leitura do voltímetro V1 e) diminuição na leitura do voltímetro V2

RECEPTORES A função do receptor Ê transformar a energia elÊtrica que recebem em uma forma qualquer de energia que não seja tÊrmica, por exemplo, os motores elÊtricos (ventiladores, carrinhos elÊtricos, secadores de cabelo, etc.). Dizemos que o receptor Ê o oposto do gerador. Características de um Receptor: Possui dois pólos, um positivo e outro negativo, e uma resistência interna, responsåvel por uma certa dissipação de energia elÊtrica.

Força Contra Eletromotriz (fcem ou Îľ'): Quando uma corrente elĂŠtrica atravessa um receptor, parte da energia elĂŠtrica que as cargas possuam ĂŠ transformada em uma forma qualquer de energia (exceto tĂŠrmica). A esta transformação de energia podemos relacionar um trabalho Ăştil realizado pelas cargas. Denominamos de força contra eletromotriz Ă razĂŁo entre o trabalho realizado pelas cargas e a quantidade de carga que atravessa o receptor. Matematicamente: đ?œ€=

đ?‘Š đ?‘ž

A fcem Ê uma diferença de potencial (medida em volts no S.l.) e não uma força como o nome sugere. Na verdade, podemos definir como força contra eletromotriz à tensão útil que Ê aproveitada pelo receptor.

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Resistência Interna (r'): Qualquer receptor, após um certo tempo de funcionamento, sofre um certo aquecimento, o que sugere que parte da energia elétrica foi transformada em energia térmica. Acontece, porém, que o receptor não é produzido para esquentar. Logo, podemos concluir que esta energia térmica representa uma energia perdida, que não foi efetivamente utilizada pelo aparelho. O fato descrito no parágrafo anterior é devido ao fato de o receptor possuir, internamente uma resistência elétrica que promove o efeito Joule quando a corrente elétrica o atravessa. Representação de um Receptor: A representação esquemática de um receptor em um circuito elétrico é a seguinte: Note que é uma representação idêntica ao do gerador. A característica que nos faz diferenciar estes dois aparelhos é o sentido da corrente elétrica. Internamente ao receptor, a corrente se orienta do pólo positivo para o negativo (lembre-se que, no gerador, é o contrário). Na figura anterior, a tensão V é a diferença de potencial total a que o receptor está sujeito. Deste valor, uma parte é aproveitada (que está relacionada com a fcem) e uma outra parcela é dissipada (que está relacionada com a resistência interna). Equação de um Receptor: A relação de potência elétrica utilizada para se deduzir a equação do gerador será mais uma vez utilizada para a dedução da equação do receptor. Sabemos que a potência total recebida pelo receptor é igual à soma do que foi aproveitado e o que foi dissipado. Assim: PT = Pu + PD Onde: PT = V . i; PU = e' . i; PD = r' . i2 Substituindo as expressões na equação da potência, temos: V. i = e'. i + r' i2. E dividindo os termos por i. V = ε' + r. i  Que é a equação do gerador

ELETROMAGNETISMO Estudaremos os fenômenos magnéticos naturais e artificiais, o campo magnético gerado por imãs e por correntes elétricas, a existência da força magnética, indução eletromagnética, que tornou possível a utilização doméstica da energia elétrica e toda a evolução da indústria eletrônica.

ÍMÃS - imãs são corpos que possuem a capacidade de atrair substâncias tais como o ferro, eles são compostos por óxido de ferro. Os imãs são os responsáveis pelo aparecimento do campo magnético que, a exemplo do campo elétrico da eletricidade, permite a aplicação de uma força. Representaremos o campo magnético por B. A unidade de campo magnético no Sistema Internacional é o tesla (T). Veremos, logo a seguir, as principais propriedades dos imãs.

Atividade magnética: Um imã possui as extremidades ativas magneticamente, enquanto que a sua região central é neutra. As extremidades de um imã recebem o nome de pólos.

Orientação em relação à Terra: Quando um imã está livre para girar em torno de seu eixo, ele se orienta aproximadamente na direção norte-sul terrestre. O pólo do imã que aponta para o norte geográfico da Terra recebe o nome de pólo norte do imã. O pólo que aponta para o sul geográfico é chamado de pólo sul do imã. A bússola é uma aplicação desta propriedade, pois ela é composta por uma agulha imantada que pode girar livremente em torno de seu eixo. Desta forma, esta agulha estará orientada na direção norte-sul terrestre (desde que não haja outros campos magnéticos externos).

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Atração e Repulsão: Pólos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem. Através desta propriedade, podemos concluir que a Terra se comporta como um grande imã, sendo que o pólo norte geográfico funciona como um pólo sul magnético e o poio sul geográfico ê um pólo norte magnético.

Inseparabilidade dos polos: É impossível separarmos um pólo norte de um pólo sul. Quando um imã é dividido em vários pedaços, cada parte apresenta um pólo

LINHAS DE INDUÇÃO Estudamos, na eletrostática, as chamadas linhas de força que representam um campo elétrico qualquer. Estas nhãs devem ser desenhadas de tal forma que o vetor campo elétrico seja tangente a elas em todos os pontos. No magnetismo, existe um representação para o campo magnético, que chamamos de linhas de indução. Vamos considerar que uma linha de indução, externamente ao imã, "nasce" no pólo norte e se dirige para o pólo sul A figura seguinte mostra as linhas de indução do campo magnético gerado por um imã em forma de barra.

Observações: 1)

A densidade de linhas de indução é proporcional à intensidade do campo magnético.

2) O vetor campo magnético é tangente às linhas de indução em todos os seus pontos. 3) As linhas de indução, ao contrário das linhas de força, são, sempre, fechadas.

EXPERIÊNCIA DE OERSTED O físico H. C. Oersted queria estabelecer uma profunda relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Para isso, ele montou um circuito elétrico muito simples, como o da figura seguinte.

Próximo ao fio AB, ele colocou uma bússola. Quando o circuito era ligado, Oersted percebeu que esta bússola sofria um deflexão, o que indicava uma influência da corrente elétrica gerada no circuito sobre os fenómenos magnéticos. Oersted concluiu, então, que uma corrente elétrica gera, em torno do fio no qual ela circula, um campo magnético.

A partir desta experiência, estava inaugurado o Eletromagnetismo, ou seja, os fenômenos elétricos e magnéticos podiam ser estudados em uma só ciência.

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Observação: Para o estudo do eletromagnetismo, iremos utilizar as 3 dimensões. Como, na folha de papel, só dispomos de duas, estabeleceremos a seguinte convenção: x - Vetor perpendicular ao plano, "entrando" nele. • - Vetor perpendicular ao plano, "saindo" dele.

CAMPO MAGNÉTICO GERADO POR CORRENTES ELÉTRICAS

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Regra do Tapa Na “regra do tapa”, ilustrada abaixo, o dedão aponta o sentido da corrente, os outros dedos apontam no sentido do campo magnético, e a força é perpendicular à palma da mão (direita), para cima. Essa regra nos dá a força sobre uma carga positiva; se a carga for negativa, o sentido da força será para baixo. Sabe-se que o sentido convencional da corrente elétrica é o das cargas positivas em movimento. A direção da velocidade (v) das cargas é a mesma da corrente (i) e que em uma pilha vai do positivo (+) para o negativo(-).

O vetor Fm é perpendicular aos vetores V e B.

A regra do “tapa”, é usada para determinar o sentido da força magnética sobre uma carga positiva.

Para calcular a força magnética: FM = q.v.B.sen.

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Ondas Eletromagnéticas Princípio básico do eletromagnetismo. 1) Um campo magnético, quando varia com o tempo, produz um campo elétrico induzido e, um campo elétrico, quando varia com o tempo, produz um campo magnético induzido. Essa perturbação constituída por campos magnéticos e elétricos variáveis e perpendiculares entre si constitui o que chamamos de eletromagnética. E se propaga no vácuo com uma velocidade de 300.000 Km/s. 2) A onda eletromagnética pode sofrer reflexão, refração, interferência, difração, polarização, etc. 3) Maxwell suspeitou que a luz era uma onda eletromagnética quando o valor da velocidade encontrado por ele para uma onde eletromagnética no vácuo era igual ao valor da velocidade da luz no vácuo. Hertz, mais tarde, mostrou que Maxwell estava correto, ao produzir essas ondas em seu laboratório. Podemos afirmar que:

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Espectro Eletromagnético Abaixo estão representados várias ondas eletromagnéticas e o que as diferencia são suas frequências e seus comprimentos de onda. Saiba que no vácuo todas têm a mesma velocidade.

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