Teorema das cascas

Casca Esférica

Campo elétrico de uma casca esférica uniformemente carregada: o campo elétrico é nulo para pontos dentro da casca (r<R) e se comporta como se toda a carga estivesse no centro dela (partícula carregada) para pontos  fora da casca (r>R). Cálculos no Link  >>>>

 

Oscilação Eletromagnética e Corrente Alternada

As bases conceituais destes temas em estudo são amplamente empregadas nas aplicações tecnológicas do mundo eletroeletrônico atual. A energia elétrica consumida nas residências, a sintonização de estação de rádio ou um modo eficaz de acoplar caixas acústicas nos equipamentos de som trabalham com tais fundamentos. Vamos estudar circuitos elétricos básicos contendo resistores, capacitores e indutores alimentados por “fem” alternada. Conforme estudamos em outros capítulos, o capacitor e o indutor armazenam energia, elétrica e magnética, respectivamente, o resistor dissipa. Com base nisso, nos circuitos osciladores, a carga e a corrente oscilam no tempo com uma frequência natural, havendo trocas de energia entre o capacitor e o indutor, já que estes dispositivos armazenam energia. Se o circuito não tiver resistência elétrica, a energia total permanece conservada no circuito, caso contrário, a resistência dissipa energia e o oscilador se torna amortecido (pode acontecer de a energia ser dissipada sem oscilação, dependendo da resistência elétrica). Em adição, se uma fonte de “fem” alternada for ligada ao circuito, teremos um oscilador forçado com o circuito recebendo energia da fonte. Uma característica marcante destes osciladores é o fenômeno da ressonância: ocorre um pico na amplitude de oscilação quando a frequência do agente externo é igual à natural do sistema. Neste caso, quando a frequência da “fem” alternada for igual à frequência natural de oscilação do circuito, haverá um máximo na amplitude da corrente. Um exemplo típico deste efeito acontece nos aparelhos de rádio quando sintonizam as frequências de transmissão das estações.  (Mais detalhes ...).

Indução de Faraday

Na postagem anterior vimos que correntes elétricas podem produzir campos magnéticos, agora, veremos uma contrapartida do campo magnético. O fenômeno da indução eletromagnética é expresso de modo simples pela lei de Faraday: um fluxo magnético variável através de uma espira gera uma força eletromotriz induzida na espira (ou bobina com muitas espiras). Este fenômeno revolucionou a forma de produzir e transmitir energia elétrica no final do séc. XIX. As usinas de energia elétrica funcionam com base na indução eletromagnética. Na etapa de geração de energia pelas usinas, um agente mecânico move turbinas que produzem movimentos de rotação entre ímãs e bobinas, transformando energia mecânica em elétrica. As diferenças entre os tipos de usinas elétricas se devem ao agente que realiza o trabalho mecânico para mover o gerador: nas hidrelétricas, o fluxo da água represada; nas eólicas, o vento; nas termoelétricas, a queima de algum combustível para produzir pressão de vapor; as nucleares são um tipo sofisticado de termoelétrica que consome combustível nuclear, em geral, urânio. Os processos de transmissão envolvem estágios de transformação de tensão: elevação para transmitir através das linhas de alta tensão e diminuição para regular a tensão nas subestações e, depois, nos transformadores de postes de rua que distribuem para as residências. A figura mostra um transformador ligado aos fios da rede elétrica em um poste de rua. (Mais detalhes no Link ...).

Antes de seguir para a página contendo o material de estudo, pense na questão abaixo:

Basicamente, os transformadores usam dois enrolamentos de fios com interações mútuas: o primário (tensão de entrada para ser transformada) e o secundário (tensão de saída transformada). Neste contexto, podemos esperar que os modos de produção e transmissão de energia elétrica sejam naturalmente convenientes na forma de corrente alternada. Sim ou não, por quê? Explique com base na lei da indução de Faraday. (Mais detalhes no Link ...).

Lei de Ampère e Lei de Biot-Savart

As leis de Ampère e de Biot-Savart são usadas para determinar campo magnético produzido por corrente elétrica, um fenômeno descoberto, em 1819, por Oersted. A figura ao lado mostra um pedaço de um cabo coaxial, um exemplo comum de aplicação tecnológica que emprega os fundamentos teóricos das leis de Ampère e de Biot-Savart. Algumas aplicações caseiras do cabo coaxial estão em ligações de antenas de televisão e nas transmissões de sinais em equipamentos eletrônicos. Este tipo de cabo é formado por um fio condutor central isolado por uma camada de plástico que, por sua vez, é envolta por uma capa de material condutor que fica protegida por outra camada isolante. O cabo interno transmite os sinais contendo as informações e a capa condutora serve de blindagem contra interferências externas, limitando a transmissão do sinal na região interna do cabo e diminuindo os ruídos que o próprio cabo pode produzir. A escolha do formato do cabo coaxial se deve ao fato de que a transmissão do sinal ocorre por meio da passagem de corrente elétrica ao longo do cabo e, como veremos, um fio com corrente elétrica produz um campo magnético em sua volta. O nome coaxial é porque os fios condutores (interno e externo) têm o mesmo eixo longitudinal, de modo que as suas correntes elétricas caminham em sentidos opostos, isolando eletromagneticamente o cabo. (Mais detalhes ...) 

Antes de seguir para a página contendo o material de estudo, pense na questão abaixo:

Se a corrente elétrica pode produzir campo magnético, será que a recíproca também ocorre: campo magnético pode produzir corrente elétrica?

Campo magnético

Um instrumento comumente associado ao magnetismo é a bússola, uma caixa contendo uma agulha imantada que interage com o campo magnético da Terra para ser usada em aplicações de orientação geográfica. Em 1600, William Gilbert (inglês, 1544-1603) apresentou seus estudos mostrando que a Terra é um grande ímã e que as bússolas se orientavam em seu campo magnético. A origem deste campo ainda não está bem determinada, mas as evidências indicam que é produzido pelo movimento das camadas derretidas de ferro e níquel em volta de um núcleo sólido destes mesmos materiais. A intensidade deste campo magnético varia com o tempo e pode até haver inversão dos polos num período estimado em 300 mil anos. A importância do magnetismo terrestre não se restringe às aplicações da bússola, ou do seu uso por algumas espécies de animais, principalmente aves, para navegação em suas rotas migratórias, mas ele também atua como um escudo de proteção ao nosso habitat contra o intenso bombardeio de partículas energéticas carregadas que vem do espaço, os raios cósmicos, desviando boa parcela destes raios para as regiões dos polos. Neste texto, vamos estudar os efeitos do campo magnético sobre partículas carregadas e fios percorridos por correntes elétricas (mais detalhes ... material para download).

Antes de ir para a página contendo o material sobre campo magnético, pense na questão abaixo:

Os ímãs têm dois polos magnéticos: norte e sul. Imagine que alguém queira isolar o polo norte de um ímã cortando uma fatia fina nesta extremidade. Este corte poderia isolar o polo norte do ímã?  

Circuitos elétricos

Um circuito elétrico é um arranjo de dispositivos elétricos (capacitores, resistências, ...) ligados por fios condutores a uma (ou mais) fonte de energia elétrica, como pilhas e baterias. Atribui-se símbolos aos componentes elétricos (ou às propriedades dos aparelhos elétricos em estudo) para serem representados graficamente em um circuito elétrico. Experimente desenhar um circuito elétrico das ligações das lâmpadas e aparelhos elétricos da sala da sua casa. Neste contexto, vamos estudar métodos básicos de análise de circuitos elétricos, calculando corrente elétrica e diferença de potencial sobre os componentes do circuito.

Material para download: Link 1 - Anotações PDF ; Link 2 - simulação de uma bateria.

A figura ao lado ilustra um circuito elétrico simples contendo uma bateria ideal ligada em série a um capacitor e uma lâmpada. Analise o funcionamento da lâmpada depois de ligar a chave "S". Considere que lâmpada acende quando está ligada diretamente à bateria, que inicialmente o capacitor está completamente descarregado e funciona normalmente com esta bateria. O modo de operação do capacitor foi discutido em postagens anteriores. 

Capacitor

Capacitor é um dispositivo de circuito elétrico que armazena carga e energia elétricas. A figura ao lado mostra um tipo de associação de capacitores variáveis que era usado nos rádios para sintonizar as estações. Um capacitor é formado por duas placas de material condutor que, quando carregadas, adquirem as cargas +Q em uma placa e –Q na outra, produzindo um campo elétrico   e uma diferença de potencial  ∆V  entre as placas. A constante “C” é a capacitância do capacitor, é medida em farad (F), cujo valor é definido quando o capacitor é construído. O valor de “C” está associado à operação do capacitor num circuito, ele considera o formato geométrico e as dimensões das placas.

Potencial Elétrico

Potencial elétrico é uma grandeza escalar que está associada a uma distribuição de cargas ou ao campo elétrico aplicado em uma região.

Quando uma partícula é deslocada entre dois pontos em uma região onde se aplica um campo elétrico, há um trabalho envolvido (ou uma variação de energia potencial elétrica). Alternativamente, este trabalho se deve à diferença de potencial elétrico entre os pontos onde a partícula se desloca. Como o campo elétrico é conservativo, o trabalho não depende da trajetória escolhida para levar a partícula de um ponto ao outro e, consequentemente, a diferença de potencial elétrico também não.

Lei de Gauss

De um ponto de vista prático, a lei de Gauss é um método usado para calcular o campo elétrico de certas distribuições de carga. A lei faz uma equivalência entre o fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada, chamada superfície gaussiana, com a carga total que está dentro dela. A superfície gaussiana é um objeto abstrato de cálculo, ela é adequadamente escolhida para cada tipo de distribuição de cargas, simplificando o cálculo do campo elétrico. Porém, nem sempre esta facilidade é aplicável, estudaremos alguns casos em que isto ocorre. Para além da sua aplicação, a lei Gauss vai de encontro à lei de Coulomb, demonstrando que o campo elétrico de uma partícula carregada tem uma dependência com 1/r². A lei de Gauss é uma das quatro equações de Maxwell que fundamentam o eletromagnetismo. 

Campo Elétrico

Um objeto eletricamente carregado produz um campo elétrico na região em torno dele, qualquer outra carga elétrica que estiver na região do campo elétrico, experimenta uma força elétrica.
Uma forma de representar esta manifestação da carga elétrica no espaço é por meio das linhas de campo, um conceito introduzido por Michael Faraday (físico inglês, 1791-1867). Cada distribuição de cargas tem a sua configuração de linhas de campo.
O campo elétrico é uma grandeza vetorial, as suas linhas de campo fornecem um mapeamento de como ele está configurado na região em torno da distribuição de cargas que o produz. Na figura ao lado, são apresentadas as linhas de campo de um dipolo elétrico. 

Carga Elétrica e Lei de Coulomb

Carga Elétrica e Lei de Coulomb

Há dois tipos de carga elétrica: positiva (+) e negativa (-). Carga elétrica é uma propriedade da matéria, a sua natureza está na estrutura atômica da matéria. Num modo básico, átomos são formados por elétrons (partículas "leves" com carga elétrica negativa) envolvendo um núcleo (pequeno e "pesado") carregado positivamente. Um objeto eletrizado tem uma falta ou um excesso de elétrons, ficando positiva ou negativamente carregado, respectivamente. A força elétrica entre corpos com cargas de sinais iguais é repulsiva, a de sinais opostos é atrativa. 

Material para download: 1) (Apresentação PPSX). 2) (Texto PDF) . 3) (Vídeoclipe). 4) (Apresentação PPSX --> PDF)

Programa de Física Geral III

O curso de Física Geral III abrange temas de estudo do eletromagnetismo. De modo geral, vamos estudar as interações das partículas carregadas eletricamente com campos elétricos e magnéticos. Na sequencia, vamos estudar algumas aplicações desses conceitos no funcionamento de dispositivos elétricos e na produção de energia elétrica.

Embora adotado o livro texto Fundamentos de Física Vol. 3, isto não exclui o uso de outros livros que aborde os conteúdos de Física Geral III (veja a relação de livros na coluna ao lado).

Como sugestão para os estudos e acompanhamento do curso, veja a postagem abaixo: Algumas dicas que podem ajudar nos estudos.

Clique em "Mais informações" para expandir a apresentação do programa de Física Geral III, o calendário de provas e modos de avaliação.

Lei da Indução de Faraday

Michael Faraday (Inglaterra, 1791-1867) contribuiu com grandes descobertas cientificas nas áreas da física. Em particular, com base na lei da indução eletromagnética mostrou-se a possibilidade simplificada de produzir e distribuir energia elétrica fazendo uso de geradores e transformadores de tensão alternada. As usinas hidrelétricas, eólicas, termelétricas ou nucleares funcionam com base neste princípio. (Acesse o link ... )
Foto: Usina Hidrelétrica de Itaipu.

Elemento químico

Os elementos químicos podem ter isótopos estáveis ou radioativos, os estáveis são mais abundantes e não se modificam, enquanto que os radioativos se transformam, podem até se transmutar para outro elemento. Atualmente são conhecidos 118 elementos, porém, existem cerca de 90 elementos disponíveis na natureza, os outros são em pouquíssima quantidade (diz-se elementos traço) ou artificiais. Do total dos elementos conhecidos, 81 apresentam isótopos estáveis, todos com número atômico menor do que o do bismuto. Os elementos acima do bismuto são todos radioativos, como o urânio e o plutônio. Acesse o link ...

Átomo de hidrogênio

O hidrogênio é o elemento químico mais simples da natureza, e o seu isótopo mais simples tem um elétron em volta de um núcleo formado por um próton. Em 1913, N. Bohr divulgou um modelo de estrutura do átomo com o elétron descrevendo órbitas discretas em volta do núcleo, lançando as bases que apoiaria a era da teoria quântica dos átomos. O sucesso do modelo se apoiava principalmente no fato de que a sua teoria da estrutura atômica podia explicar muito bem as séries espectrais do hidrogênio que eram conhecidas na época. (acesse o link)

Bobinas de Helmholtz e aparato de Bainbridge

Bobinas de Helmholtz são duas bobinas idênticas usadas para produzir campo magnético uniforme num plano entre as bobinas. O aparato de Bainbridge usa estas bobinas para observar a trajetória de um feixe de elétrons no campo magnético. ... (.... acesse o Link >>>)

Raios canais

Raios canais são feixes de íons positivos produzidos pela ionização de um gás em baixa pressão num tubo de descargas. Foram descobertos por E. Goldstein em 1886, quando observou um raio que saía em sentido oposto ao raio catódico e atravessava pequenos furos (canais) no cátodo. Em 1913, J. J. Thomson usou os raios para medir massas atômicas com um espectrômetro de massa. (.... acesse o Link >>>>)

Tubo de raios catódicos

Os tubos de raios catódicos (sigla CRT) foram desenvolvidos no séc. XIX, usados na descoberta do elétron por J. J. Thomson em 1897, também deram origem aos aparelhos de televisão e monitores de computador ...   (... acesse o Link >>>)

Espectrômetro de massa

Aparelho usado para identicar e medir massas de átomos ou moléculas das substâncias. Conceitos básicos e aspectos históricos. ... No espectrômetro de massa de Aston os campos elétrico e magnético não são aplicados juntos ...  (... acesse o Link >>>) 

Células nervosas

Neurônios são células nervosas cuja função básica é transmitir estímulos nervosos para o (ou a partir do) sistema nervoso central ... (... acesse o Link >>>)