Ciências da Natureza Física Prof.: Luiz FelipeCiências da Natureza –Física Prof.: Luiz Felipe...
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Ciências da Natureza – Física Prof.: Luiz Felipe
Eletrização
O átomo é formado por partículas chamadas prótons, elétrons e nêutrons. A massado próton e do nêutron é praticamente igual mas cerca de 2000 vezes maior que a do elétron.Prótons e elétrons possuem uma propriedade que os nêutrons não possuem: a chamada cargaelétrica.
Em módulo, essa grandeza tem o mesmo valor para todas essas partículas. É achamada carga elétrica elementar (e) e vale:
191,6.10e C−=
Independente se o corpo é condutor ou isolante, normalmente o número de prótonsé igual ao de elétrons. Sendo assim dizemos que o corpo está eletricamente neutro. Casocontrário, quando o número de prótons for diferente do número de elétrons, diremos que ocorpo está eletrizado.
Sua carga elétrica será dada por:
.Q n e=
número de elétrons em falta ou excesso
unidade de carga é o coulomb
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✓ Um breve histórico da EletricidadeA história da Eletricidade iniciou-se com Tales de Mileto. Ele observou que o atrito
entre uma resina fóssil (âmbar, que em grego é chamado de eléktron) e um tecido ou peleanimal produziria na resina a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha.
o médico da rainha Elizabeth I, William Gilbert, descobriu que oexperimento poderia ser realizado com outros materiais
Em 1729, Stephen Gray descobriu que a propriedade de atrair ou repelir outros corpos poderiaser transferida de um corpo para outro não apenas por atrito, mas também por contato.
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Nesse período, Charles François Du Fay realizou um experimento em que atraía uma finafolha de ouro com um bastão de vidro atritado. Porém, ao encostar o bastão na folha, esta erarepelida. Teríamos, então, 2 tipos de eletricidade: a vítrea e a resinosa.
Em 1747, o norte-americano Benjamin Franklin propôs uma teoria em queconsiderava a carga elétrica um fluido que podia ser transferido de um corpo para outro: ocorpo que perdia esse fluido ficava com falta (negativo); e o que recebia, com excesso(positivo).
Robert Millikan foi quem determinou o valor da carga elétrica elementar e
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✓ Física de partículasO modelo atômico de Rutherford-Bohr considera que o átomo é formado por
prótons, nêutrons e elétrons. Essas três partículas foram chamadas de elementares. Noséculo XX, porém, outras partículas foram previstas e descobertas.
Na década de 60, as partículas foram classificadas em hádrons e léptons. Em1963, Gell-Mann e Zweig sugeriram que os hádrons não eram partículas elementares, porqueseriam compostos por quarks.
bottom, down, up, top, charm, strange
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✓ Princípios da Eletrostática
✓ Princípio da atração e repulsãoExperimentalmente verifica-se que cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se e cargaselétricas de sinais contrários se atraem.
✓ Princípio da conservação das cargas elétricasEm um sistema isolado, a soma algébrica das cargas positivas e negativas é sempre constante.
antes depoisQ Q=
não troca cargas elétricas com o exterior
condutor elétrico (cargas escoam facilmente para o meio)
isolante
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✓ Energia potencial no campo eletrostático
Seja q uma carga elétrica puntiforme abandonada em repouso num ponto qualquerde um campo eletrostático qualquer. Ao ser colocada nesse ponto, sobre a carga atuará umaforça elétrica que tende a deslocá-la em sua própria direção e sentido, realizando assim umtrabalho positivo. A partícula adquire, então, uma energia cinética que veio de outra forma deenergia, a chamada energia potencial elétrica. Para um par de cargas Q e q separadas por umadistância d, a energia potencial será dada por:
.pot
Q qE K
d=
✓ Potencial elétrico
Por definição, o potencial elétrico associado a um certo ponto P, indicado por VP, é dado peloquociente entre a energia potencial da carga em P e o valor da carga:
pot
P P P
KQqE QdV V V Kq q d
= = =
unidade: 1 J/C = 1 V (volt)
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✓ Trabalho em função da d.d.p.
Considere uma partícula eletrizada com carga elétrica q que será deslocada entre dois pontosquaisquer, A e B, da região de um campo elétrico. O trabalho da força elétrica será dado por:
( )A Bpot pot A B A BE E qV qV q V V = − = − = −
No caso do campo elétrico uniforme temos:
( ).
. .
A B
A B
q V VE d V V
q E d
= − = −
=
unidade de E no SI é o V/m
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✓ Carga elétrica puntiforme abandonada no campo elétrico
Abandonando-se, em repouso, uma carga elétrica q, puntiforme, numa região ondeexiste um campo elétrico, ela fica sujeita à ação de uma força elétrica resultante e desloca-seespontaneamente na direção e sentido dessa força, de tal forma que:
1) Em todo movimento espontâneo de carga elétrica, numcampo elétrico, a energia potencial elétrica diminui.
2) Cargas elétricas positivas, abandonadas em repouso nocampo elétrico e sujeitas apenas à ação da força elétrica,deslocam-se espontaneamente para pontos de menorpotencial.
3) Cargas elétricas negativas, abandonadas em repouso nocampo elétrico e sujeitas apenas à ação da força elétrica,deslocam-se espontaneamente para pontos de maiorpotencial.
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✓ Equilíbrio eletrostático entre condutores
Considere dois condutores A e B isolados, com cargas QA e QB e com potenciais VA eVB (VA > VB) estando bem afastados entre si. Liguemos os dois condutores usando um fiocondutor descarregado. Devido à diferença de potencial entre os condutores, haveráescoamento de cargas através do fio, de modo que a corrente convencional vai do potencialmaior para o menor e os elétrons vão de B para A. A movimentação de cargas continua atéque os condutores fiquem com o mesmo potencial; a partir desse instante cessa a troca decargas e o sistema está em equilíbrio eletrostático. Desprezando a carga final do fio (temcapacitância desprezível), temos que:
cargas finais de A e B
' ' ' '
A B A B A BV V Q Q Q Q= + = +
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Corrente elétrica
Corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas.
Por convenção, o sentido da corrente elétrica é o oposto ao sentido de movimentodos elétrons.
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➢ Obs.: corrente iônica
✓ Intensidade de corrente
A intensidade média da corrente elétrica é definida como sendo:
m
Qi
t=
Uma vez que a carga que passa por uma secção do condutor é dada por Q = n.e, então:
.m
Q n ei
t t= =
unidade: 1 C/s = 1 A (ampère)
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Quando a corrente mantém seu sentido invariável, ela é denominada corrente contínua.
corrente contínua e constante
Caso o sentido da corrente se modifique periodicamente no decorrer do tempo, então ela seráchamada de corrente alternada.
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➢ Obs.: a área sombreada de um gráfico da corrente elétrica versus o tempo nos fornece a
quantidade de carga que através uma secção daquele condutor
N
Área Q=
➢ Obs.: para soluções eletrolíticas, a intensidade média da corrente elétrica é calculada pelasoma dos módulos das cargas dos ânions e cátions, logo:
anions cations
m
Q Qi
t
+=
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✓ Tensão elétrica ou d.d.p.
Para se estabelecer uma corrente elétrica nosterminais de um condutor é necessário que suas extremidadessejam ligadas aos terminais de um gerador elétrico, cujafinalidade é converter outras modalidades de energia emenergia elétrica, a qual será usada pelas cargas elétricas emmovimento ordenado.
a pilha é um gerador elétrico
Teremos então uma diferença de potencial (U) dadapor:
A BU V V= −
representação do gerador
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➢ Obs.: uma pilha funciona através de reações espontâneas de oxirredução, nas quaisocorre a transferência de elétrons – que saem do ânodo, o zinco, e se deslocam para ocátodo, o grafite.
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✓ Causa da corrente elétricaConsidere duas placas metálicas eletrizadas tal que:
A BV V
Ligando as placas por meio de um fio metálico, elétrons fluirão de B para A, diminuindo opotencial de B e aumentando o potencial de A.
quando os potenciais tornarem-se iguais (for atingido o equilíbrio eletrostático, nãohavendo mais ddp) cessa a corrente elétrica no fio
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Para que a corrente não cesse, deve-se manter diferentes os potenciais elétricos nasextremidades do fio. Para isso é preciso realizar um trabalho transportando os elétrons de Apara B.
o agente transportador repõe noselétrons a energia potencial elétricaque perderam
O responsável por essa reposição é o gerador elétrico.
mantém a ddp em seus terminais,consequentemente mantendo a correnteelétrica no circuito
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(ENEM-2011) Um curioso estudante, empolgado com a aula de circuito elétrico que assistiu
na escola, resolve desmontar sua lanterna. Utilizando-se da lâmpada e da pilha, retiradas do
equipamento, e de um fio com as extremidades descascadas, faz as seguintes ligações com a
intenção de acender a lâmpada:
Tendo por base os esquemas mostrados, em quais casos a lâmpada acendeu?
a) (1), (3), (6)
b) (3), (4), (5)
c) (1), (3), (5)
d) (1), (3), (7)
e) (1), (2), (5)
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✓ Efeitos fisiológicos da corrente
As atividades musculares, incluindo-se a respiração e os batimentos cardíacos, são
controlados por correntes elétricas internas. A corrente elétrica de origem externa pode
resultar em graves descontroles, tais como paralisia respiratória, fibrilação ventricular ou
parada cardíaca.
a fibrilação ventricular se caracteriza por movimentos de contração nãocoordenados dos ventrículos, resultando no desaparecimento dobombeamento sanguíneo; uma vez iniciada, ela raramente cessaespontaneamente
Não usar as duas mãos simultaneamente em pontos diferentes!!!
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Fatores que afetam a corrente elétrica que circula pelo corpo:
1) Acoplamento entre a mão e o condutor (umidade da pele e área de contato);
2) Resistência elétrica associada ao percurso da corrente no corpo;
3) Acoplamento entre os pés e o piso.
sapatos com sola de borracha grossa ou piso bom isolante constituem uma boaproteção no caso de tensões domésticas e ambientes secos
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O “terra” é construído enterrando-se, no local da instalação, condutores emterra úmida juntamente com sais e outras substâncias para garantir alta condutânciaelétrica entre os condutores e a terra propriamente dita. Como medida de segurança,todas as caixas metálicas dos instrumentos devem ser ligadas ao fio terra. Oaterramento das carcaças metálicas coloca todas elas no mesmo potencial elétrico, queé o mesmo que o da terra no local da instalação.
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i > 1 mA começa a sensação de choque
i > 10 mA contração muscular
entre 100 mA e 200 mA fibrilação ventricular
i > 200 mA travamento do coração
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Admitindo que o número de elétrons livres por unidade de volume, para o materialde que é constituído o fio, seja representado por N, temos:
.ol
nN n N A
V= =
.Q n e NA ei i NAve
t t t= = = =
velocidade média de avanço dos elétrons livres
➢ Obs.: a intensidade de corrente está diretamente associada à espessura do fio, por issofusíveis de maior “amperagem” são construídos com fios mais grossos
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Considere um condutor metálico de cobre de 0,8mm de raio, cuja intensidade decorrente elétrica seja de 10 A. admitindo que o número de elétrons livres por unidade devolume (cm3) do cobre seja 8,4 . 1022, temos:
( )2
222 19
103,7.10 / 0,37 /
8,4.10 . 0,08 .1,6.10
iv v cm s mm s
NAe
−
−= =
Durante seu movimento de avanço, os elétrons livres “chocam-se” uns com osoutros e também com os íons da rede. Desse modo, o movimento dos elétrons livres no fiose dá sob ação de dois tipos de força: a do campo elétrico, responsável pela velocidade deavanço, e a devida aos choques. Esta força é análoga ao atrito viscoso de um objeto que semove no interior de um fluido.
➢ Obs.: o acender imediato de uma lâmpada não depende dessa velocidade de avanço,mas sim da velocidade de propagação do campo elétrico ao longo do fio. Entre o acionardo interruptor e o início do movimento de avanço de cada elétron, existe um pequenointervalo de tempo que corresponde àquele necessário ao estabelecimento do campoelétrico ao longo do fio, já que o mesmo se propaga com velocidade equivalente à da luz(3 . 108 m/s).