Física - Vol. 2, 9ª edição

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18 - Forças Elétricas e Campos Elétricos

CUTNELL, John D.; JOHNSON, Kenneth W. Grupo Gen PDF Criptografado

Capítulo

18

Forças Elétricas e

Campos Elétricos

18.1 Origem da Eletricidade

A natureza elétrica da matéria é inerente à estrutura atômica. Um átomo é formado por um núcleo pequeno e relativamente denso que contém partículas chamadas de prótons e nêutrons. Um próton possui uma massa de 1,673 3 10227 kg, enquanto um nêutron possui uma massa ligeiramente maior de 1,675 3 10227 kg. Ao redor do núcleo, existe uma nuvem difusa de partículas em órbita chamadas de elétrons, como sugerido pela Figura 18.1. Um elétron possui uma massa de 9,11 3 10231 kg. Como a massa, a carga elétrica é uma propriedade intrínseca dos prótons e dos elétrons, e só dois tipos de carga foram descobertos, a carga positiva e a negativa. Um próton possui uma carga positiva, enquanto um elétron possui uma carga negativa. Um nêutron não possui carga elétrica resultante.

Experimentos revelam que o módulo da carga no próton é exatamente igual ao módulo da carga do elétron; o próton traz consigo uma carga 1e, enquanto o elétron traz uma carga –e.

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19 - Energia Potencial Elétrica e Potencial Elétrico

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Capítulo

19

Energia Potencial Elétrica e

Potencial Elétrico

19.1 Energia Potencial

No Capítulo 18, discutimos a força eletrostática que duas cargas pontuais exercem uma na outra, cujo módulo é F 5 kq1q2/r2. A forma desta equação é semelhante à da força gravitacional que duas partículas exercem uma sobre a outra, que é F 5 Gm1m2/r2, de acordo com a lei da gravitação universal de Newton (veja a Seção 4.7). Estas duas forças são conservativas e, como explicado na Seção 6.4, uma energia potencial pode ser associada com a força conservativa. Dessa forma, existe uma energia potencial elétrica que é análoga à energia potencial gravitacional. Para preparar o terreno para uma discussão da energia potencial elétrica, vamos rever alguns dos aspectos importantes do análogo gravitacional.

A Figura 19.1, que é essencialmente a Figura 6.10, representa uma bola de basquete de massa m caindo do ponto A até o ponto B. A força gravitacional, m é a única força atuando sobre a bola, em que g é o módulo da aceleração decorrente da gravidade. Como discutido na

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20 - Circuitos Elétricos

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Capítulo

20

Circuitos Elétricos

Sem circuitos elétricos, esta exibição exuberante de luzes coloridas em Sydney, Austrália, não seria possível. Virtualmente todos os aspectos da vida na sociedade industrializada moderna utilizam ou dependem de alguma maneira de circuitos elétricos. (© Frank Chmura/Workbook

Stock/Getty Images, Inc.)

20.1 Força Eletromotriz e Corrente

Olhe ao seu redor. É muito provável que exista um aparelho elétrico por perto — um rádio, um secador de cabelos, um computador — algo que use energia elétrica para funcionar.

A energia necessária para fazer funcionar um MP3 player, por exemplo, vem das pilhas, como ilustrado na Figura 20.1. A transferência de energia ocorre através de um circuito elétrico, no qual a fonte de energia (o conjunto de pilhas) e o aparelho que consome energia (o MP3 player) estão conectados por fios condutores, nos quais cargas elétricas se movem.

No interior de uma pilha ou bateria, ocorre uma reação química que transfere elétrons de um terminal (deixando-o carregado positivamente) para outro terminal (deixando-o negativamente carregado). A Figura 20.2 mostra os dois terminais de uma bateria de automóvel e uma pilha de lanterna. O desenho também ilustra o símbolo usado para representar uma bateria ou pilha em desenhos de circuitos. Por causa das cargas positivas e negativas nos terminais da bateria ou pilha, existe uma diferença de potencial elétrico entre eles. A diferença de potencial máxima é chamada de força eletromotriz* (fem) da bateria, para a qual se usa o símbolo . Em uma bateria de carro típica, a reação química mantém o potencial do terminal positivo em um valor máximo de 12 volts (12 joules/coulomb) acima do potencial do terminal negativo, logo a fem é  5 12 V. Logo, um coulomb de carga saindo da bateria e entrando em um circuito tem no máximo 12 joules de energia. Em uma pilha de lanterna típica, a fem é igual

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21 - Forças Magnéticas e Campos Magnéticos

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108  ■  Capítulo 21

Capítulo

21

Esta bela exibição de luz no céu

é conhecida como as luzes do norte (aurora boreal). Ela ocorre quando partículas carregadas, vindas como uma corrente do Sol, ficam aprisionadas pelo campo magnético da Terra. As partículas colidem com moléculas na atmosfera superior, e o resultado é a produção de luz. Forças magnéticas e campos magnéticos são os assuntos deste capítulo. (© Fred

Hirschmann/ Science Faction/

Getty Images, Inc.)

Forças Magnéticas e Campos

Magnéticos

21.1 Campos Magnéticos

Figura 21.1  A agulha de uma bússola é um ímã permanente, que possui um polo norte magnético

(N) em uma extremidade e um polo sul magnético (S) na outra.

Ímãs permanentes são usados há muito tempo em bússolas de navegação. Como ilustrado na Figura 21.1, a agulha da bússola é um ímã permanente apoiado de modo a poder girar livremente em um plano. Quando a bússola é colocada sobre uma superfície horizontal, a agulha gira até que uma extremidade aponte aproximadamente para o norte. A extremidade da agulha que aponta para o norte é identificada como o polo norte magnético; a extremidade oposta é o polo sul magnético.

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22 - Indução Eletromagnética

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Capítulo

22

Indução Eletromagnética

22.1 Fem Induzida e Corrente Induzida

Existem várias maneiras de se usar um campo magnético para gerar uma corrente elétrica, e a Figura 22.1 ilustra uma delas. Este desenho mostra uma barra imantada e uma bobina helicoidal de fio à qual está ligado um amperímetro. Quando não há movimento relativo entre o ímã e a bobina, como no item a do desenho, o amperímetro fornece uma leitura nula, indicando que não existe corrente. Entretanto, quando o ímã se move em direção à bobina, como no item b, aparece uma corrente I. Quando o ímã se aproxima, o campo magnético que ele cria no local da bobina fica cada vez mais forte, e é este campo variável que produz a corrente. Quando o ímã se afasta da bobina, como no item c, uma corrente também é produzida, mas com o sentido invertido. Agora o campo magnético na bobina fica mais fraco à medida que o ímã se afasta. Mais uma vez é o campo variável que gera a corrente.

Uma corrente também seria criada na Figura 22.1 se o ímã fosse mantido parado e a bobina fosse movimentada, pois o campo magnético na bobina estaria variando quando a bobina se aproximasse ou se afastasse do ímã. Apenas o movimento relativo entre o ímã e a bobina é necessário para gerar uma corrente; não importa qual deles se move.

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23 - Circuitos de Corrente Alternada

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186  ■  Capítulo 23

Capítulo

23

Esta apresentação do ‘The Who’ durante o intervalo da partida foi parte das festividades do 44o

Super Bowl. Sem o auxílio de corrente alternada (CA), não seria possível encenar tais espetáculos de entretenimento.

Circuitos de corrente alternada estão no cerne de todos os sistemas de áudio utilizados na apresentação. (© Larry French/

Stringer/Getty Images, Inc.)

Circuitos de Corrente Alternada

23.1 Capacitores e Reatância Capacitiva

Nossa experiência com capacitores até agora foi com circuitos de corrente contínua.1

Como vimos na Seção 20.13, a carga flui em um circuito de corrente contínua apenas por um breve período de tempo após ser aplicada a voltagem2 da bateria entre os terminais do capacitor. Em outras palavras, a carga flui apenas enquanto o capacitor está carregando. Depois que o capacitor fica completamente carregado, as cargas deixam de sair da bateria. Suponha agora que as ligações da bateria com o capacitor completamente carregado fossem invertidas subitamente. Neste caso, a carga fluiria novamente, só que no sentido contrário, até que a bateria recarregasse o capacitor de acordo com as novas ligações. O que acontece em um circuito de corrente alternada é semelhante. A polaridade da voltagem aplicada ao capacitor se alterna continuamente e, em resposta, a carga flui ao redor do circuito primeiro em um sentido e depois no sentido inverso. Este fluxo de carga, que cresce em um sentido, inverte o sentido, cresce no outro sentido, inverte o sentido, e assim por diante, constitui uma corrente alternada.

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24 - Ondas Eletromagnéticas

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Capítulo

24

Cada uma das cores nas velas destes barcos corresponde a um diferente comprimento de onda na região visível do espectro de ondas eletromagnéticas. Como veremos neste capítulo, no entanto, os comprimentos de onda visíveis compreendem apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético total. (© Terje

Rakke/Getty Images, Inc.)

Ondas Eletromagnéticas

24.1 A Natureza das Ondas Eletromagnéticas

Figura 24.1  Em cada item do desenho, a seta cinza representa o campo elétrico produzido no ponto P pelas cargas oscilando na antena no tempo indicado. As setas pretas representam os campos elétricos criados em instantes anteriores. Por simplicidade, apenas os campos que estão se propagando para a direita são mostrados.

Na Seção 13.3, vimos que a energia é transportada até nós vinda do sol por meio de uma classe de ondas conhecidas como ondas eletromagnéticas. Esta classe inclui as ondas familiares visíveis (luz), ultravioletas e infravermelhas. Nas Seções 18.6, 21.1 e 21.2 estudamos os conceitos de campos elétricos e magnéticos. Foi o grande físico escocês James Clerk Maxwell

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25 - A Reflexão da Luz: Espelhos

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Capítulo

25

A Reflexão da Luz: Espelhos

A imagem das zebras bebendo

água no charco é produzida quando a luz reflete na superfície plana da água, que funciona como um espelho. Este capítulo discute as imagens formadas pela reflexão da luz em espelhos planos e esféricos. (© Digital Vision/Getty Images, Inc.)

25.1 Frentes de Onda e Raios

Espelhos estão normalmente ao alcance das nossas mãos. É difícil, por exemplo, colocar maquiagem, se barbear, ou dirigir um carro sem eles. Vemos imagens em espelhos porque uma parte da luz que incide sobre eles é refletida e penetra em nossos olhos. Para discutir a reflexão,

é necessário apresentar os conceitos de frente de onda e de raio de luz, e podemos fazê-lo tirando partido do tópico familiar de ondas sonoras (veja o Capítulo 16 no Volume 1). Tanto o som quanto a luz são tipos de ondas. O som é uma onda de pressão, enquanto a luz é de natureza eletromagnética. Entretanto, as ideias de frente de onda e de raio se aplicam a ambas.

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26 - A Refração da Luz: Lentes e Instrumentos Ópticos

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Capítulo

26

A Refração da Luz: Lentes e

Instrumentos Ópticos

26.1 O Índice de Refração

Como discutido na Seção 24.3, a luz se propaga no vácuo a uma velocidade escalar c 5 3,00 3 108 m/s. Ela também pode se propagar através de diversos meios materiais, como o ar, a água e o vidro. No entanto, os átomos do meio absorvem, emitem novamente e espalham a luz. Portanto, a luz se propaga no meio material a uma velocidade que é menor do que c e a velocidade real depende da natureza do meio material. Em geral, veremos que a variação da velocidade quando um raio de luz passa de um meio material para outro faz com que o raio se desvie da sua direção incidente. Esta mudança de direção é chamada de refração. Para descrever até que ponto a velocidade de propagação da luz em um meio material difere da sua velocidade no vácuo, usamos um parâmetro chamado de

índice de refração (ou índice refrativo). O índice de refração é um parâmetro importante, pois ele aparece na lei da refração de Snell, que será discutida na próxima seção. Esta lei é a base de todos os fenômenos discutidos neste capítulo.

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27 - Interferência e a Natureza Ondulatória da Luz

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308  ■  Capítulo 27

Capítulo

27

A interferência entre ondas acontece quando duas ou mais ondas estão presentes simultaneamente no mesmo lugar. A luz é uma onda eletromagnética, consequentemente pode exibir efeitos de interferência.

A interferência de ondas luminosas é responsável pelas belas cores iridescentes1 das penas deste turaco de crista violeta da

África do Sul. (© Heinrich van den Berg/Gallo Images/Getty

Images, Inc.)

Interferência e a Natureza

Ondulatória da Luz

27.1 O Princípio da Superposição Linear

O Capítulo 17 no Volume 1 examina o que acontece quando várias ondas sonoras estão presentes no mesmo lugar ao mesmo tempo. A perturbação da pressão que resulta é governada pelo princípio da superposição linear, que afirma que a perturbação resultante é a soma das perturbações decorrentes das ondas individuais. A luz também é uma onda, uma onda eletromagnética, e ela também obedece ao princípio da superposição. Quando duas ou mais ondas luminosas passam por um dado ponto, seus campos elétricos se combinam de acordo com o princípio da superposição linear e produzem um campo elétrico resultante. De acordo com a

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Respostas para a Seção Verifique Seu Entendimento

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Respostas para a Seção Verifique Seu Entendimento

Capítulo 1

VSE 1: (a) Sim.

(b) Não.

VSE 2: Não.

VSE 3: a, b, c e f

VSE 4: Não.

VSE 5: b e d

VSE 6: (a) 11 m

(b) 5 m

VSE 7: Não.

VSE 8: Sim.

VSE 9: (a) O módulo de é igual ao módulo de

(b) A direção é a mesma, mas o sentido de é contrário ao de

VSE 10: O vetor é perpendicular ao vetor

VSE 11: O vetor tem a mesma direção e o mesmo sentido que o vetor

VSE 12:

VSE 13: (a) Ax é 2 e Ay é 1

(b) Bx é 1 e By é 2

(c) Rx é 1 e Ry é 1

VSE 14: Não.

VSE 15: Sim.

VSE 16: (a) Ax 5 0 unidade e

Ay 5 112 unidades

(b) Ax 5 212 unidades e

Ay 5 0 unidade

(c) Ax 5 0 unidade e

Ay 5 – 12 unidades

(d) Ax 5 112 unidades e

Ay 5 0 unidade

VSE 17: Não.

VSE 18: a

Capítulo 2

VSE 1: 0 m

VSE 2: é uma grandeza escalar

VSE 3: Não.

VSE 4: a

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Respostas para Problemas de Numeração Ímpar

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Respostas para Problemas de Numeração Ímpar

Capítulo 1

 1. 124 m

 3. 10 159 m

 5. 0,75 m2/s

 7. 2,0 magnums

 9. 29,6 mL

11. [M]/[T]2

13. 80,1 km, na direção sudoeste fazendo um ângulo de 25,9° em relação ao oeste

15. 0,25 m

17. 54,1 m

19. 35,3°

21. 1,2 3 102 m

23. (a) 551 newtons, na direção noroeste fazendo um ângulo de 36,1° em relação ao oeste

(b) 551 newtons, na direção sudoeste fazendo um ângulo de 36,1° em relação ao oeste

25. menor módulo:

5 10,0 newtons, para o leste;

maior módulo:

5 70,0 newtons, para o oeste

27. (a) 1200 m

(b) na direção sudeste fazendo um

ângulo de 26° em relação ao leste

29. (a) 45,6 cm

(b)

39,4 cm

31. (a) 5600 newtons

(b) ao longo da linha tracejada

33. (a) 78 newtons

(b) 34°

35. (a) possui a maior componente x.

(b) possui a maior componente y.

37. (a) 45°

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