Física para Universitários

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O segundo livro de Bauer, Westfall & Dias, Eletricidade e Magnetismo, descreve e explica cuidadosamente inúmeros tópicos, entre eles: as propriedades da carga elétrica, o campo elétrico e a lei de Gauss, o potencial elétrico, a capacitância, correntes e resistências elétricas, circuitos de corrente contínua, magnetismo, campos magnéticos produzidos por correntes elétricas, indução eletromagnética, correntes e oscilações eletromagnéticas, ondas eletromagnéticas, entre outros. A apresentação desse conteúdo é feita mostrando como todos esses assuntos estão intimamente conectados com os maiores avanços da física atual. O texto, muito bem-trabalhado, é acompanhado de inúmeras imagens, figuras, exercícios, problemas e exemplos que envolvem e motivam o estudante universitário com as maravilhas da ciência, da tecnologia e da inovação – assuntos atuais e de extrema importância.

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Capítulo 1 - Eletrostática

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Eletrostática

1

O QUE APRENDEREMOS

1.1 Eletromagnetismo

1.2 Carga elétrica

Carga elementar

Exemplo 1.1 Carga líquida

1.3 Isolantes, condutores, semicondutores e supercondutores

Semicondutores

Supercondutores

1.4 Eletrização eletrostática

1.5 Força eletrostática – lei de Coulomb

Princípio da superposição

Exemplo 1.2 Força eletrostática no interior de um átomo

Exemplo 1.3 Posição de equilíbrio

Problema resolvido 1.1 Bolas carregadas

O precipitador eletrostático

Impressoras a laser

1.6 A lei de Coulomb e a lei de Newton da gravitação

Exemplo 1.4 Forças entre elétrons

O QUE JÁ APRENDEMOS /

G U I A D E E S T U D O PA R A E X E R C Í C I O S

(a)

Guia de resolução de problemas

Problema resolvido 1.2 Conta em um fio

Problema resolvido 1.3 Quatro objetos carregados

Questões de múltipla escolha

Questões

Problemas

(b)

(c)

 

Capítulo 2 - Campos Elétricos e a Lei de Gauss

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2

Campos Elétricos e a

Lei de Gauss

O QUE APRENDEREMOS

35

2.1 Definição de campo elétrico

2.2 Linhas de campo

Cargas puntiformes

Duas cargas puntiformes de sinais opostos

Duas cargas puntiformes de mesmo sinal

Observações gerais

35

36

37

37

37

38

38

Exemplo 2.1 Três cargas

2.3 Campo elétrico gerado por cargas puntiformes

2.4 Campo elétrico devido a um dipolo

Exemplo 2.2 Molécula da água

2.5 Distribuições de carga gerais

Exemplo 2.3 Linha finita de carga

Problema resolvido 2.1 Anel eletrizado

2.6 Força devido a um campo elétrico

Exemplo 2.4 Câmera de projeção temporal

Dipolo em um campo elétrico

Problema resolvido 2.2 Dipolo elétrico em um campo elétrico

2.7 Fluxo elétrico

Exemplo 2.5 Fluxo elétrico através de um cubo

2.8 A lei de Gauss

A lei de Gauss e a lei de Coulomb

Blindagem

2.9 Simetrias especiais

 

Capítulo 3 - Potencial Elétrico

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Potencial Elétrico

3

O QUE APRENDEREMOS

70

3.1 Energia potencial elétrica

Caso especial: campo elétrico constante

3.2 Definição de potencial elétrico

70

71

71

72

73

74

75

75

76

77

77

78

78

Exemplo 3.1 Ganho de energia por um próton

,

Baterias

Exemplo 3.2 Carros movidos a baterias

,

Gerador Van de Graaff

Exemplo 3.3 Acelerador Van de Graaff Tandem

,

3.3 Linhas e superfícies equipotenciais

Campo elétrico constante

Carga puntiforme única

Duas cargas puntiformes de sinais opostos

Duas cargas puntiformes idênticas

3.4 Potencial elétrico de distribuições de carga diversas

Carga puntiforme

,

,

79

79

Problema resolvido 3.1 Cargas positivas fixa e móvel 80

Sistemas de cargas puntiformes

81

Distribuições de carga contínuas

82

Exemplo 3.4 Superposição de potenciais elétricos

 

Capítulo 4 - Capacitores

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Capacitores

4

O QUE APRENDEREMOS

4.1 Capacitância

4.2 Circuitos

Carga e descarga de um capacitor

4.3 Capacitor de placas paralelas

Exemplo 4.1 Área de um capacitor de placas paralelas

4.4 Capacitor cilíndrico

4.5 Capacitor esférico

4.6 Capacitores em circuitos

Capacitores em paralelo

Capacitores em série

Exemplo 4.2 Associação de capacitores

4.7 Energia armazenada em capacitores

Exemplo 4.3 Nuvem de tempestade

Problema resolvido 4.1 Energia armazenada em capacitores

Exemplo 4.4 National Ignition Facility

O desfibrilador

4.8 Capacitores com dielétricos

Exemplo 4.5 Capacitor de placas paralelas com um dielétrico

Exemplo 4.6 Capacitância de um cabo coaxial

98

100

100

101

102

103

103

104

104

105

106

108

109

110

111

111

112

4.9 Visão microscópica de dielétricos

 

Capítulo 5 - Corrente e Resistência

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5

Corrente e Resistência

O QUE APRENDEREMOS

129

5.1 Corrente elétrica

129

131

132

Exemplo 5.1 Iontoforese

5.2 Densidade de corrente

Problema resolvido 5.1 Velocidade de deriva de elétrons em um fio de cobre

5.3 Resistividade e resistência

Convenção de espessura de fios

Exemplo 5.2 Resistência de um fio de cobre

Código de resistores

Dependência com a temperatura e supercondutividade

As bases microscópicas da condução nos sólidos

5.4 Força eletromotriz e lei de Ohm

A resistência do corpo humano

5.5 Resistores em série

Exemplo 5.3 Resistência interna de uma bateria

Resistor com seção transversal não uniforme

Problema resolvido 5.2 Sonda cerebral

5.6 Resistores em paralelo

Exemplo 5.4 Resistência equivalente de um circuito com seis resistores

Problema resolvido 5.3 Queda de potencial em um resistor de um circuito

133

135

137

 

Capítulo 6 - Circuitos de Corrente Contínua

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6

Circuitos de

Corrente Contínua

O QUE APRENDEREMOS

163

6.1 As Leis de Kirchhoff

Lei de Kirchhoff dos nós

Lei de Kirchhoff das malhas

6.2 Circuitos de uma única malha

163

163

164

166

166

167

167

169

170

171

171

Problema resolvido 6.1 Carregando uma bateria

6.3 Circuitos com várias malhas

Exemplo 6.1 Circuito com várias malhas

Problema resolvido 6.2 A ponte de Wheatstone

Observações gerais sobre redes de circuitos

6.4 Amperímetros e voltímetros

Exemplo 6.2 Voltímetro em um circuito simples

Problema resolvido 6.3 Ampliando a faixa de operação de um amperímetro

6.5 Circuitos RC

Carregando um capacitor

Descarregando um capacitor

Exemplo 6.3 Tempo necessário para carregar um capacitor

O marca-passo

Exemplo 6.4 Elementos de circuito de um marca-passo

172

173

173

174

175

 

Capítulo 7 - Magnetismo

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7

Magnetismo

O QUE APRENDEREMOS

189

7.1 Ímãs permanentes

Linhas de campo magnético

O campo magnético da Terra

Superposição de campos magnéticos

7.2 Força magnética

Força magnética e trabalho

Unidades de intensidade de campo magnético

189

189

190

192

192

192

193

193

Problema resolvido 7.1 Tubo de raios catódicos

7.3 Movimento de partículas carregadas em um campo magnético

Trajetórias de partículas carregadas em um campo magnético constante

Câmara de projeção temporal

Exemplo 7.1 Momento transversal de uma partícula em uma TPC

Exemplo 7.2 O vento solar e o campo magnético da Terra

Frequência de cíclotron

Exemplo 7.3 Energia de um cíclotron

O espectômetro de massa

Problema resolvido 7.2 Seletor de velocidades

Levitação magnética

7.4 Força magnética sobre um fio condutor de corrente

Exemplo 7.4 Força sobre o enrolamento de um alto-falante

 

Capítulo 8 - Campos Magnéticos Produzidos por Cargas em Movimento

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8

Campos Magnéticos

Produzidos por

Cargas em Movimento

O QUE APRENDEREMOS

217

8.1 A Lei de Biot-Savart

8.2 Campos magnéticos devido a distribuições de corrente

Campo magnético produzido por um fio reto e longo

Dois fios paralelos

A definição do ampère

217

Exemplo 8.1 Força sobre uma espira

Problema resolvido 8.1 Trilho acelerador eletromagnético

Campo magnético produzido por uma espira

Problema resolvido 8.2 Campo produzido por um fio contendo uma espira

8.3 A lei de Ampère

Campo magnético no interior de um fio longo e reto

8.4 Campos magnéticos de solenoides e toroides

Exemplo 8.2 Solenoide

Problema resolvido 8.3 Campo produzido por um eletroímã toroidal

8.5 Átomos como ímãs

Exemplo 8.3 Momento magnético orbital de um

átomo de hidrogênio

218

218

220

221

221

222

224

226

227

228

228

 

Capítulo 9 - Indução Eletromagnética

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Indução Eletromagnética

9

O QUE APRENDEREMOS

250

9.1 Os experimentos de Faraday

9.2 A lei de Faraday da indução

Indução em uma espira plana em um campo magnético

250

252

Exemplo 9.1 Diferença de potencial induzida por um campo magnético variável

Exemplo 9.2 Diferença de potencial induzida em uma espira em movimento

9.3 A lei de Lenz

Correntes parasitas

Detectores de metal

Diferença de potencial induzida em um fio em movimento em um campo magnético

Exemplo 9.3 Satélite preso a um ônibus espacial

Exemplo 9.4 Haste condutora puxada

9.4 Geradores e motores

Freio regenerativo

9.5 Campo elétrico induzido

9.6 Indutância de um solenoide

9.7 Autoindutância e indutância mútua

Problema resolvido 9.1 Indução mútua de um solenoide e de uma bobina

9.8 Circuitos RL

Problema resolvido 9.2 Trabalho realizado por uma bateria

Figura 9.1 A Represa de Grand Coulle, no Rio Columbia, estado de Washington,

 

Capítulo 10 - Correntes e Oscilações Eletromagnéticas

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10

Correntes e Oscilações

Eletromagnéticas

O QUE APRENDEREMOS

283

10.1 Circuitos LC

10.2 Análise de oscilações LC

283

285

287

Exemplo 10.1 Características de um circuito LC

10.3 Oscilações amortecidas em um circuito RLC

10.4 Circuito CA forçados

Fonte de fem forçada alternada

Circuito com um resistor

Circuito com um capacitor

Circuito com um indutor

10.5 Circuito RLC em série

Um exemplo prático

288

289

289

289

290

291

292

294

Exemplo 10.2 Caracterizando um circuito RLC

295

Filtros de frequência

296

Exemplo 10.3 Circuito misturador para alto-falantes 298

10.6 Energia e potência em circuitos CA

299

Receptor de rádio AM

301

Problema resolvido 10.1 Indutância desconhecida de um circuito RL

10.7 Transformadores

10.8 Retificadores

301

303

305

O QUE JÁ APRENDEMOS /

 

Capítulo 11 - Ondas Eletromagnéticas

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11

Ondas Eletromagnéticas

O QUE APRENDEREMOS

317

11.1 Campos magnéticos induzidos

11.2 Corrente de deslocamento

11.3 As equações de Maxwell

11.4 Soluções de onda para as equações de Maxwell

A solução proposta

Lei de Gauss para campos elétricos

Lei de Gauss para campos magnéticos

Lei de Faraday da indução

Lei de Maxwell-Ampère

11.5 A velocidade da luz

11.6 O espectro eletromagnético

Bandas de frequência para comunicações

11.7 Ondas eletromagnéticas progressivas

11.8 Vetor de Poynting e transporte de energia

317

318

320

Exemplo 11.1 Usando painéis solares para carregar um carro elétrico

Exemplo 11.2 Valores rms de campos elétrico e magnético da luz solar

11.9 Pressão de radiação

320

321

321

321

322

323

324

324

326

327

328

329

330

330

Exemplo 11.3 Pressão de radiação de um apontador laser

 

Apêndice A

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Apêndice

Resumo Matemático

1. Álgebra

1.1 Elementos

1.2 Expoentes

1.3 Logaritmos

1.4 Equações lineares

2. Geometria

2.1 Formas geométricas bidimensionais

2.2 Formas geométricas tridimensionais

3. Trigonometria

3.1 Triângulos retângulos

3.2 Triângulos gerais

4. Cálculo

4.1 Derivadas

4.2 Integrais

5. Números complexos

Exemplo A.1 Conjuntos de Madelbrot

A-1

A-1

A-2

A-2

A-3

A-3

A-3

A-3

A-3

A-3

A-5

A-6

A-6

A-6

A-7

A-8

Notação:

As letras a, b, c, x e y representam números reais.

As letras i, j, m e n representam números inteiros.

As letras gregas ␣, ␤ e ␥ representam ângulos, expressos em radianos.

1. Álgebra

1.1 Elementos

Fatoração:

Equação quadrática:

Toda equação da forma

Para valores dados de a, b e c, existem duas soluções:

e

 

Apêndice B

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Apêndice

B

Massas de Isótopos, Energias de

Ligação e Meias-vidas

Somente aqueles isótopos com meias-vidas maiores do que 1 h foram listados.

Z

1

1

1

2

2

3

3

4

4

4

5

5

6

6

6

7

7

8

8

8

9

9

10

10

10

11

11

11

12

12

12

12

13

13

14

14

N Símbolo

0

1

2

1

2

3

4

3

5

6

5

6

6

7

8

7

8

8

9

10

9

10

10

11

12

11

12

13

12

13

14

16

13

14

14

15

H

H

H

He

He

Li

Li

Be

Be

Be

B

B

C

C

C

N

N

O

O

O

F

F

Ne

Ne

 

Apêndice C

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Apêndice

C

Propriedades dos Elementos

Z

Número de carga (número de prótons no núcleo = número de elétrons)

Massa específica à temperatura ambiente (20°C = 293,15 K) e pressão normal (1 atmosfera)

m

Peso atômico padrão (massa média ponderada de um átomo, ponderada de acordo com a abundância de cada isótopo)

Tfusão

Temperatura do ponto de fusão (ponto de transição entre a fase sólida e a fase líquida)

Tebulição

Temperatura de ebulição (ponto de transição entre a fase líquida e a fase gasosa)

Lf

Calor latente de fusão ou derretimento

Lv

Calor latente de vaporização

E1

Energia de ionização (energia necessária para remover o elétron menos ligado de um átomo)

Z

Símbolo Nome

Configuração eletrônica

␳(g/cm3)

m(g/mol)

Tfusão (K)

Tebulição

(K)

Lf

Lv

(kJ/mol) (kJ/mol) E1(eV)

1

2

3

4

5

6

 

Respostas das Questões e dos Problemas Selecionados

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Respostas das Questões e dos Problemas Selecionados

Problemas

Capítulo 1: Eletrostática

2.23 5,75 · 104 N/C. 2.25 192,53° em sentido anti-horário a partir do semieixo positivo de x. 2.27 0,56 m e 4,4 m.

2.29 E ⫽ ⫺kp/x3; a intensidade do campo elétrico diminui mais rápido perpendicularmente ao eixo do dipolo.

2.31 (3,7 m/s) ⫹ (2,4 m/s) . 2.33 ⫽ (⫺Q/␲⑀0␲R2) .

Múltipla escolha

1.1 b. 1.3 b. 1.5 b. 1.7 a. 1.9 c.

Problemas

1.27 96.470 C. 1.29 3 · 1017 elétrons. 1.31 32 C.

1.33 (a) 5,00 · 1016 elétrons de condução/cm3. (b) Existem

5,88 · 10⫺17 elétrons de condução na amostra de silício dopado para cada elétron de condução da amostra de cobre.

1.35 1 · 10⫺5 C; a força é atrativa. 1.37 ⫺2,9 · 10⫺9 N.

⫺5

1.39 100 N. 1.41 q ⫽ 2,02 · 10

(b)

.

C. 1.43 3,1 N. 1.45 (a) 0.

1.47

1.49 (a) Não. (b) ⫺0,6 N. 1.51 ⫺3,7 · 10⫺10 e. 1.55 6 · 1012 C.

⫺8

⫺47

1.57 n ⫽ 1; F1 ⫽ 8,24 · 10 N; Fg,1 ⫽ 3,63 · 10 N

 

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