Aulas De Física

De Ana Maria Toffoletto

Este livro apresenta Aulas de Óptica, Termologia, Eletricidade, Mecânica e ferramentas Matemáticas importantes, tendo como objetivo mostrar os conteúdos de forma organizada e interessante para o leitor.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 18 de abr. de 2016

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                      Prefácio

A Física é uma ciência em constante evolução e muito tem contribuído para o desenvolvimento tecnológico do mundo. Através dos tempos, expande seus conhecimentos teóricos, práticos, experimentais e tecnológicos, de forma contínua e rápida, alcançando importantes avanços para o mundo contemporâneo. Este livro tem por objetivo mostrar os conteúdos de Física de forma fácil, organizada e interessante para o leitor.  Apresenta Aulas de Termofísica, Eletricidade, Óptica e Mecânica e ferramentas matemáticas necessárias para o entendimento pleno desta ciência. 

Espero que o livro seja útil para quem precise e se interesse pelo assunto.

                                                                                                                                                                                                A autora

AULA 1

Carga Elétrica

Valor da Carga Elétrica

Primeiras descobertas em Eletricidade

O estudo do Eletromagnetismo é dividido em três partes:

Eletricidade Estática

Eletricidade Dinâmica

Eletromagnetismo

Eletricidade Estática: A palavra estática significa "parada, em repouso", algo que está em equilíbrio. O primeiro conceito importante em Eletrostática é o de Carga Elétrica.

Carga elétrica

A matéria é constituída de partículas extremamente pequenas denominadas átomos, que, por sua vez, são formados de prótons e nêutrons, aglomerados nos núcleos, em torno dos quais, movimentam-se elétrons.

Experiências realizadas em laboratórios mostram que elétrons e prótons interagem, isto é, exercem forças elétricas entre si: se colocarmos dois prótons um perto do outro, eles se repelem; o mesmo ocorre com dois elétrons. Entretanto, um próton e um elétron atraem-se mutuamente. Ou seja, percebemos que há uma propriedade que os prótons e elétrons têm, de atrair ou repelir partículas. 

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Essa propriedade não existe no nêutron: ele não é atraído nem repelido por outra partícula qualquer. Essa propriedade chama-se carga elétrica ou quantidade de eletricidade.

Por terem essa quantidade de eletricidade, é que prótons e elétrons apresentam forças elétricas de atração ou repulsão.

Prótons e elétrons apresentam a propriedade de carga elétrica ou quantidade de eletricidade. E é graças a esta propriedade, que eles têm a capacidade de atração ou de repulsão.

E, como próton atrai elétron, dizemos que elétrons e prótons possuem cargas elétricas de espécies diferentes. Por convenção, a carga elétrica do próton é positiva e a do elétron é negativa. Diz-se também que o elétron é uma carga negativa e o próton é uma carga positiva. Os nêutrons não exercem ações elétricas entre si, portanto não possuem cargas elétricas .

A interação entre as partículas como os elétrons e os prótons permite-nos enunciar o Princípio da Atração e Repulsão, da seguinte forma:

Cargas elétricas com mesmo sinal se repelem. Cargas elétricas com sinais contrários se atraem.

Este Princípio também é chamado de Primeiro Princípio da Eletrostática. Mais adiante, veremos o Segundo Princípio da Eletrostática.

Valor da Carga Elétrica:

As cargas elétricas do próton e do elétron têm a mesma intensidade, mas sinais contrários. O valor da carga elétrica (ou quantidade de eletricidade) do próton e do elétron foi calculado. Ele é igual em módulo: próton e elétron têm, em valor absoluto (sem contar o sinal de positivo ou negativo), o mesmo valor de quantidade de eletricidade. O valor da carga elétrica do próton e do elétron é o menor valor de carga elétrica encontrado na natureza e, essa quantidade de carga é chamada carga elementar, e é representada por e. No S.I., a unidade de carga elétrica é o Coulomb, cujo símbolo é C, em homenagem ao cientista que descobriu o seu valor: Coulomb.

Seu valor é:

eelementar = 1,6. 10-19 C

Para o próton = +e = + 1,6. 10-19 C

Para o elétron = -e =  1,6. 10-19C

PRIMEIRAS DESCOBERTAS EM ELETRICIDADE:

A eletricidade como ciência data de 600 a.C. Filósofos gregos desse período já sabiam que o âmbar (uma resina produzida pelas árvores, e que se fossiliza), quando atritado com pele de animal, adquiria a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha. Parece que foi o grego Thales, que morava na cidade de Mileto, quem percebeu a primeira vez este fenômeno de atração. O âmbar é chamado, em grego, de eléktron, e daí deriva o termo eletricidade. Depois de Thales de Mileto, somente no século dezesseis observou-se algum progresso no estudo das forças elétricas, através de pesquisas do médico inglês Willian Gilbert, que verificou que outras substâncias (vidro, enxofre etc.) também manifestavam o fenômeno de atração. Ou seja, muitas outras substâncias apresentam essa mesma propriedade do âmbar: quando atritadas adquirem quantidade de eletricidade, também chamada de carga elétrica, eletrizam-se e passam a exercer força elétrica sobre outros corpos. Atualmente, os fenômenos elétricos são explicados com base nos conhecimentos da estrutura da matéria (ou seja, conhecimento do átomo, do seu modelo atômico e de suas partículas - prótons, elétrons e nêutrons).

AULA 2

Eletrização de um Corpo

Condutores e Isolantes Elétricos

Eletrização de um Corpo

Foi o melhor conhecimento da estrutura da matéria (ou seja, o conhecimento melhor dos átomos e das partículas que o constituem) que possibilitou entendermos as causas das interações entre as partículas, essa propriedade de carga elétrica, que causa força elétrica entre partículas, essa força de atração e repulsão entre determinadas partículas. A matéria é formada, como vimos, de átomos. Cada átomo, por sua vez, é constituído de partículas ainda menores, os prótons, os elétrons e os nêutrons. No seu estado normal, um corpo apresenta a mesma quantidade de prótons e elétrons, cujas cargas de sinais contrários se equilibram. Dizemos que este corpo é um corpo eletricamente neutro. Cada átomo apresenta número de prótons igual ao número de elétrons. Agora, vamos supor que este corpo apresente o número de elétrons diferente do número de prótons. Neste caso, não podemos dizer que o corpo está eletricamente neutro. Ele está eletrizado. Esta é a causa da atração ou repulsão entre corpos.

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Para sabermos qual a quantidade total de carga do corpo, ou sua quantidade de eletricidade, usamos a fórmula:

Q =  n. e

Onde n é o número de elétrons em excesso ou em falta em um corpo:

 o sinal + corresponde à falta de elétrons

 o sinal – corresponde ao excesso de elétrons

 e corresponde à carga elétrica elementar e vale: 

                             e = 1,6.10-19C

Então, corpo eletrizado é aquele no qual existe falta ou sobra de elétrons, ou seja, aquele que apresenta número de prótons diferente do número de elétrons. Quando o corpo se apresenta com excesso de elétrons, dizemos que ele está eletrizado negativamente, ou negativamente carregado. Se estiver com falta de elétrons, diremos que ele está eletrizado positivamente, ou positivamente carregado.

Abaixo, temos no esquema (a) um corpo neutro, no meio temos um corpo eletrizado positivamente (falta de elétrons) e em (c) temos um corpo eletrizado negativamente (excesso de elétrons):

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CONDUTORES E ISOLANTES ELÉTRICOS:

Um corpo ou meio material (sólido, líquido ou gasoso) é condutor de eletricidade quando as cargas elétricas podem mover-se com facilidade em seu interior, ou seja, ele permite essa movimentação de cargas no seu interior; caso contrário, ele é denominado isolante ou dielétrico. Os condutores mais comuns são os metais, que têm grandes quantidades de elétrons livres (constituindo a denominada nuvem eletrônica); esses elétrons-livres têm fraca ligação com o núcleo, tendo certa liberdade de movimentação. São exemplos de condutores: ferro, terra, corpo humano, prata, níquel, platina, etc. São exemplos de isolantes: vidro, borracha, etc. Se um corpo é neutro, o que podemos fazer para eletrizá-lo? Veremos, nesta próxima aula, as formas de se eletrizar corpos.

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AULA 3

Eletrização por Atrito

Eletrização por Contato

MÉTODOS DE ELETRIZAÇÃO

Estudaremos três processos de eletrização: por Atrito, por Contato e por Indução

Eletrostática.

Eletrização por Atrito:

Quando uma régua plástica e um pedaço de flanela, ambos inicialmente neutros, são esfregados um contra o outro, tanto a régua como o pedaço de flanela passam a atrair pequenos objetos nas suas proximidades. Essa forma de eletrização é denominada eletrização por atrito. Tal fenômeno é explicado pelo fato de os corpos, por serem de materiais diferentes, apresentarem tendência diferente de receber elétrons. A esfregação entre ambos faz as camadas eletrônicas superficiais ficarem muito próximas, possibilitando a migração de elétrons de um para outro. Na experiência em questão, elétrons migram da régua para a flanela, pois o plástico possui menor tendência de receber elétrons. O que caracteriza a eletrização por atrito é a obtenção de dois corpos eletrizados com cargas elétricas opostas, a partir de dois corpos inicialmente neutros. Como não houve troca de elétrons do sistema régua-flanela com o ambiente, as cargas de sinais contrários adquiridas têm mesmo valor absoluto. Em resumo, ao esfregar um corpo no outro, um perde elétrons e o outro ganha.

Observação: o processo de eletrização por atrito será ineficiente se os corpos esfregados forem condutores, pois a eletrização será seguida, imediatamente, de uma recombinação das cargas, resultando em dois corpos neutros.

Série Triboelétrica: é uma tabela ordenada de substâncias de tal forma que o atrito entre duas quaisquer, eletriza positivamente a substância que figura antes, e negativamente, a substância que figura depois na tabela. Tribos, em grego, significa ação de esfregar. O termo tribo está ligado a toda pesquisa relacionada ao atrito. A triboeletricidade é o estudo da eletrização por atrito. Observe um esquema dessa série:

Observação: Uma mesma substância pode ficar eletrizada positiva ou negativamente, conforme o tipo da outra substância com que ela é atritada.

Eletrização por Contato:

Quando colocamos dois corpos condutores em contato, um eletrizado e o outro neutro, pode ocorrer a passagem de elétrons de um para o outro, fazendo com que o corpo neutro se eletrize.

Então, às vezes, para ocorrer eletrização, não é necessário o atrito entre dois corpos, se um deles estiver em contato com o outro e eletricamente carregado. Neste caso, há a tendência de redistribuição da carga total. O corpo inicialmente neutro é eletrizado pelo contato com o outro inicialmente eletrizado. Caso o corpo eletrizado esteja carregado negativamente, parte de seus elétrons em excesso tende a ser transferida para o corpo inicialmente neutro; caso ele esteja carregado positivamente, tende a atrair elétrons do outro. Para que haja transferência de elétrons, basta haver o contato. A esse processo de eletrização dá-se o nome de eletrização por contato.

Dados dois corpos, A (neutro) e B, se B estiver negativamente carregado, ao entrar em contato com A, ele cederá parte de seus elétrons em excesso ao corpo A, que também ficara negativamente carregado. B embora continue negativamente carregado, terá menor quantidade de carga elétrica, pois cedeu alguns elétrons.

Caso B esteja positivamente carregado, e A neutro, colocando-os em contato, verifica-se que A se eletriza com carga elétrica de mesmo sinal que B, agora, carga elétrica positiva. O que ocorreu é que ao entrarem em contato, B atraiu elétrons de A, ficando A positivamente carregado. B embora continue positivo, terá menor quantidade de carga elétrica, pois recebeu alguns elétrons.

Então, no processo de eletrização por contato, o corpo neutro se eletriza com carga de mesmo sinal que o corpo eletrizado

Observação: (a) O processo de eletrização por contato é ineficiente se um dos corpos for isolante (ou se ambos forem isolantes), pois isso restringe a troca de cargas a apenas uma pequena região em torno do contato. Caso os dois corpos sejam condutores, a troca de carga afeta a totalidade de ambos.

(b) Ainda, dois corpos, A e B, inicialmente com cargas QA e QB, respectivamente, após o contato adquirem cargas Q’A e Q’B, tal que:

QA + QB = Q’A + Q’B

(c) Caso os dois corpos sejam idênticos, temos:

Q’A = Q’B = (QA + QB)

Caso os dois corpos não sejam idênticos, a análise é um pouco mais complexa, dependendo da forma geométrica e da natureza de ambos.

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AULA 4

Definição de Indução Eletrostática

Eletrização por Indução Eletrostática, através de dois Métodos

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO ELETROSTÁTICA

Definição de Indução Eletrostática:

O fenômeno da indução eletrostática possibilita a eletrização de corpos sem que seja necessário o contato entre eles. Como isso ocorre?

 Vejamos o exemplo a seguir.

Consideremos um corpo A, eletrizado positivamente, e um corpo B, condutor, inicialmente neutro. Ao aproximarmos o corpo B do corpo A, provocamos a atração de seus elétrons livres, por ação das cargas positivas de A.

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Pela ação da carga positiva (+Q) de A, são geradas, em B, duas regiões eletrizadas: uma próxima de A, eletrizada negativamente (-q), e outra, mais distante, eletrizada positivamente (+q). A essa separação de cargas em B dá-se o nome de indução eletrostática. Nesse caso, o corpo A é denominado indutor, e o corpo B, induzido.

Devemos ressaltar que em B não houve eletrização, uma vez que ele estava inicialmente neutro e não trocou elétrons com outro corpo. O que ocorreu foi o aparecimento de duas regiões eletrizadas, com sinais opostos e de mesmo valor absoluto.

Caso o corpo A esteja eletrizado negativamente, o processo ocorrerá de maneira análoga, com geração de carga positiva na região do induzido próxima ao indutor e carga negativa na região do induzido distante do indutor.

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O fenômeno da indução eletrostática só ocorre de maneira suficientemente observável se o corpo B for condutor, isto é, se tiver uma quantidade suficiente de elétrons livres. Repare, ainda, que o corpo induzido, não recebeu nem perdeu elétrons, as cargas só foram separadas. Assim, ele está eletricamente neutro e a soma de suas cargas negativas (-q) com as positivas (+q) é zero. O induzido teve apenas suas cargas separadas e concentradas em regiões distintas. Se afastarmos o indutor, os elétrons voltam para os seus lugares e o induzido volta ao estado inicial.

A carga (q) será, em valor absoluto, sempre menor que a carga indutora (Q), ou igual a ela; e podemos estabelecer a seguinte nomenclatura:

q   =Q ....................................... indução total

q  < Q....................................... . indução parcial

As condições geométricas necessárias para haver indução total são:

O induzido envolve o indutor