Física: Uma Abordagem Estratégica

Autor(es): Randall D. Knight
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Primeiro livro de física concebido a partir de uma pesquisa que buscou a melhor forma de ensinar a física de forma moderna e efetiva. Dividido em quatro volumes, o volume 3 apresenta eletricidade e magnetismo, utilizando uma linguagem clara e de fácil assimilação pelos alunos. Os recursos didáticos para os professores inclui material de apoio em inglês e lâminas de PowerPoint em português. Juntamente com os outros três volumes, cobre toda a Física.

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26. Cargas Elétricas e Forças

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26 Cargas Elétricas e Forças

O raio é uma manifestação viva das cargas e forças elétricas.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 26 é desenvolver uma compreensão básica dos fenômenos elétricos em termos de cargas, forças e campos. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Usar um modelo de carga para

explicar fenômenos elétricos básicos.

Compreender as propriedades elétricas de isolantes e condutores.

Usar a lei de Coulomb para calcular a força elétrica entre duas cargas.

Usar o modelo de campo para explicar a interação a distância entre duas cargas.

Calcular e representar o campo elétrico de uma carga puntiforme.

᭣ Em retrospectiva

A análise matemática das forças e dos campos elétricos faz uso extensivo da soma vetorial. Em muitos aspectos, a força elétrica é análoga à da gravidade.

Revise:

■ Seções 3.2 – 3.4 Propriedades dos

vetores e soma vetorial

■ Seções 13.3 e 13.4 Teoria de

Newton da gravitação

A força elétrica é uma das forças fundamentais da natureza. Algumas vezes, como nes-

ta descarga elétrica, as forças elétricas podem ser selvagens e incontroláveis. Por outro lado, a eletricidade sob controle é o fundamento da nossa sociedade moderna e tecnológica. Os dispositivos elétricos variam desde lâmpadas elétricas e motores a computadores e equipamento médico. Tente imaginar como seria viver sem a eletricidade!

 

27. O Campo Elétrico

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27 O Campo Elétrico

Uma tela de cristal líquido opera usando campos elétricos para alinhar longas moléculas de polímeros.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 27 é ensinar como calcular e usar o campo elétrico.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Calcular o campo elétrico devido a

múltiplas cargas puntiformes.

■ Calcular o campo elétrico devido

a uma distribuição contínua de cargas.

■ Usar o campo elétrico de dipolos, linhas de carga e planos de carga.

■ Gerar um campo elétrico uniforme por meio de um capacitor de placas paralelas.

■ Calcular o movimento de cargas e dipolos em um campo elétrico.

᭣ Em retrospectiva

Este capítulo desenvolve as idéias sobre forças e campos elétricos que foram introduzidas no Capítulo 26.

O movimento de uma partícula carregada em um campo elétrico é semelhante ao movimento de um projétil. Revise:

■ Seção 4.3 Movimento de projéteis

■ Seção 26.4 A lei de Coulomb

■ Seção 26.5 O campo elétrico

produzido por uma carga puntiforme

Você não pode vê-los, mas eles estão à sua volta – os campos elétricos. São estes campos que alinham moléculas de polímeros para formar imagens no visor de cristal líquido

 

28. Lei de Gauss

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28 Lei de Gauss

A forma aproximadamente esférica da cabeça da garota determina a forma do campo elétrico que faz com que seu cabelo fique eriçado.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 28 é compreender e aplicar a lei de Gauss.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Reconhecer e usar as simetrias

para determinar a configuração do campo elétrico.

■ Calcular o fluxo elétrico através de uma superfície.

■ Usar a lei de Gauss para calcular o campo elétrico de distribuições de carga simétricas.

■ Usar a lei de Gauss para compreender as propriedades de condutores em equilíbrio eletrostático.

᭣ Em retrospectiva

Este capítulo trabalha com as idéias básicas sobre campos elétricos.

Revise:

■ Seção 11.3 Produto escalar de

vetores

■ Seções 26.4 e 26.5 A lei de

Coulomb e o campo elétrico de uma carga puntiforme

■ Seção 27.2 Vetores do campo elétrico e linhas de campo elétrico

O campo elétrico desta esfera carregada aponta para fora porque esta é a única direção de campo compatível com a simetria da esfera. Esferas, cilindros e planos – formas comuns de eletrodos – têm um alto grau de simetria. Como você verá neste capítulo, as simetrias determinam a geometria dos campos elétricos.

 

29. O Potencial Elétrico

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O Potencial Elétrico

29

As luzes das cidades, vistas do espaço, mostram onde milhões de lâmpadas estão transformando energia elétrica em luz e energia térmica.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 29 é calcular e empregar o potencial elétrico e a energia potencial elétrica. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Usar a energia potencial elétrica

As luzes cintilantes das grandes cidades constituem um espetáculo impressionante.

As lâmpadas que as emitem empregam uma enorme quantidade de energia. De onde vem toda essa energia?

A energia tem sido um tema presente em todo este livro. A energia permite que as coisas aconteçam. Um sistema que não disponha de uma fonte de energia não é muito interessante; apenas está lá. Você precisa de lâmpadas para iluminar, de seu computador para realizar cálculos e de seu aparelho de som para manter os vizinhos acordados. Em outras palavras, você precisa de dispositivos que usem eletricidade para fazer algo em troca, e isso consome energia. É tempo de vermos como o conceito de energia pode nos ajudar a compreender e a analisar um fenômeno elétrico.

 

30. Potencial e Campo

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Potencial e Campo

30

Estas células solares são células fotovoltaicas, o que significa que a luz

(foto) cria uma voltagem – ou seja, uma diferença de potencial.

᭤ Olhando adiante

As células solares, como as baterias, “geram eletricidade”. Mas o que isso significa?

O objetivo do Capítulo 30 é compreender como o potencial elétrico se relaciona com o campo elétrico. Neste capítulo, você aprenderá a:

O que realmente faz uma bateria?

As baterias são apenas um dos vários tópicos que exploraremos à medida que continuarmos nossa investigação do potencial elétrico. O assunto mais extenso que devemos analisar primeiro é o da conexão entre o potencial elétrico e o campo elétrico. O potencial e o campo não são duas idéias independentes, mas simplesmente duas perspecitvas diferentes sobre como as cargas-fonte alteram o espaço ao seu redor. Explorando a conexão entre o potencial e o campo, reforçaremos nossa compreensão de ambos.

Nossa discusão do potencial elétrico vai nos orientar, naturalmente, para importantes aplicações que incluem baterias, capacitores e, nos próximos dois capítulos, correntes e circuitos elétricos.

 

31. Corrente e Resistência

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Corrente e Resistência

31

O filamento de uma lâmpada é um fio de tungstênio muito fino – um dos poucos materiais que não se fundem na alta temperatura necessária – aquecido pela passagem de corrente através do mesmo. O filamento precisa ter uma grande resistência, mas o tungstênio apresenta uma baixa resistividade.

Conseqüentemente, o filamento é enrolado e enrolado novamente, formando uma espiral, o que permite a um grande comprimento de fio muito fino ocupar um espaço pequeno.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 31 é aprender como e por que as cargas se movem através de um condutor, formando aquilo que chamamos de corrente.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Compreender como a carga se

move através de um condutor.

■ Usar um modelo microscópico de

condução.

■ Usar a lei de conservação da

corrente.

■ Relacionar a corrente em um fio

Luminárias, sistemas de som, aparelhos de microondas e computadores são partes

importantes do nosso dia a dia. Esses dispositivos são conectados por fios a uma bateria ou a uma rede elétrica. O que acontece dentro do fio que faz com que a luz apareça ou que um

 

32. Fundamentos de Circuitos

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Fundamentos de

Circuitos

32

Este microprocessador, o coração de um computador, é um circuito elétrico extraordinário e complexo.

Mesmo assim, sua operação pode ser compreendida com base em poucos princípios fundamentais da física.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 32 é compreender os princípios físicos fundamentais que governam o funcionamento dos circuitos elétricos.

Neste capítulo, você aprenderá a:

Um computador é um aparelho incrível. Por mais surpreendente que possa parecer, o

poder de um computador é obtido simplesmente pelo controle do fluxo de cargas através de fios e elementos de circuitos minúsculos. O mais poderoso supercomputador é um descendente direto do bastão carregado com o qual começamos a Parte VI.

Esse capítulo agregará muitas idéias que você aprendeu sobre campo elétrico e potencial, e elas serão usadas na análise de circuitos elétricos. Esse único capítulo não pretende ser um curso completo sobre análise de circuitos. Ao contrário, como indica o título, nosso objetivo aqui, mais modesto, é descrever os princípios físicos fundamentais segundo os quais os circuitos funcionam. Uma compreensão desses princípios básicos o preparará para seguir, posteriormente, um curso mais completo de análise de circuitos.

 

33. O Campo Magnético

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33 O Campo Magnético

Informação digital – 0s e 1s – é armazenada sobre um disco rígido em trilhas de segmentos magnetizados a favor ou contra o sentido de movimento do disco.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 33 é aprender a calcular e a manipular o campo magnético. Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Reconhecer os fenômenos

magnéticos básicos.

■ Calcular o campo magnético

produzido por partículas carregadas e correntes.

Empregar a regra da mão direita para determinar campos magnéticos e forças.

Compreender o movimento de uma partícula carregada em um campo magnético.

Calcular forças magnéticas e torques sobre correntes.

Compreender as propriedades magnéticas dos materiais.

᭣ Em retrospectiva

Este capítulo usa o que você aprendeu sobre movimento circular, rotação e dipolos para entender o movimento em um campo magnético.

Revise:

■ Seções 8.2 e 8.3 Movimento

Assim como a eletricidade, o magnetismo é conhecido desde a Antiguidade. Os antigos gregos sabiam que certo mineral, chamado de magnetita, podia atrair objetos de ferro.

 

34. Indução Eletromagnética

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Indução Eletromagnética

34

A indução eletromagnética é o princípio científico em que se baseiam muitas aplicações tecnológicas modernas, desde o gerador de eletricidade às comunicações e ao armazenamento de dados.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 34 é compreender e aplicar a indução eletromagnética. Neste capítulo, você aprenderá a:

O que os cata-ventos, os detectores de metal, os gravadores de vídeo, os discos

rígidos de computador e os telefones celulares têm em comum? Surpreendentemente, todas essas diferentes tecnologias provêm de um único princípio científico: a indução eletromagnética. A indução eletromagnética é o processo de geração de uma corrente elétrica por meio da variação do campo magnético que atravessa um circuito.

As muitas aplicações da indução eletromagnética fazem dela um importante tópico de estudo. Mais fundamentalmente, a indução eletromagnética estabelece um vínculo importante entre a eletricidade e o magnetismo, uma ligação com implicações importantes para a compreensão da luz como onda eletromagnética.

 

35. Campos Eletromagnéticos e Ondas

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35 Campos Eletromagnéticos e Ondas

O raio laser é a interação sutil de um campo elétrico e de um campo magnético oscilante.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 35 é estudar as propriedades dos campos eletromagnéticos e das ondas. Neste capítulo, você aprenderá que:

■ O campo elétrico

e o campo magnético são reais, e não, apenas ficções convenientes.

■ O campo elétrico e o campo magnético são interdependentes.

Além disso, os campos podem existir independentemente da existência de cargas e de correntes.

■ Os campos obedecem a quatro leis gerais, denominadas equações de

Maxwell.

■ As equações de Maxwell prevêem a existência de ondas eletromagnéticas que se propagam

à velocidade c, ou seja, a velocidade da luz.

᭣ Em retrospectiva

Este capítulo sintetizará muitas idéias sobre campos e o movimento. Revise:

■ Seção 4.4 Movimento relativo

■ Seção 20.3 Ondas progressivas

senoidais

■ Seções 28.3 e 28.4 O fluxo elétrico

e a lei de Gauss

■ Seção 33.6 A lei de Ampère

■ Seções 34.5 e 34.6 A Lei de

Faraday e campos elétricos induzidos

 

36. Circuitos CA

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36 Circuitos CA

Linhas de transmissão conduzem correntes alternadas em voltagens tão altas quanto 500.000 V.

᭤ Olhando adiante

O objetivo do Capítulo 36 é compreender e aplicar técnicas básicas de análise de circuitos CA.

Neste capítulo, você aprenderá a:

■ Usar fasores para analisar um

circuito CA dotado de resistores, capacitores e indutores.

■ Compreender circuitos RC de filtragem.

■ Compreender a ressonância em circuitos RLC.

■ Calcular a perda de potência em circuitos CA.

᭣ Em retrospectiva

O material deste capítulo depende dos fundamentos de circuitos e das propriedades dos resistores, capacitores e indutores. A representação matemática de circuitos CA é baseada no movimento harmônico simples. Revise:

■ Seções 14.1 14.2 e 14.8

Movimento harmônico simples e ressonância.

■ Seção 30.5 Capacitores.

■ Seções 32.1-32.4 Fundamentos de análise de circuitos.

■ Seções 34.8-34.10 Indutores.

Thomas Edison construiu a primeira usina geradora de energia elétrica de larga escala em 1882, na cidade de Nova York. Seu objetivo como empresário era vender lâmpadas elétricas, que ele havia inventado poucos anos antes. A companhia de Edison, que mais tarde passou a ser a General Electric, ainda é uma das maiores fabricantes de equipamentos elétricos do mundo.

 

APÊNDICE A

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