1.1 - Magnetismo e Carga Elétrica

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UFOPA – IEG – PC

Magnetismo e Carga

Elétrica

Cássio D. B. Pinheiro cassio.pinheiro@ufopa.edu.br Santarém, 2013

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Visão Geral e Conceitos

●

Toda matéria é formada de pequenas

partículas, os átomos.

– Cada átomo é constituído de partículas ainda

menores, os prótons, os elétrons e os nêutrons.

– Prótons e os nêutrons

localizam-se na parte central do átomo, e formam o núcleo.

– Elétrons giram em torno

do núcleo na região

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Visão Geral e Conceitos

●

Prótons e os elétrons apresentam uma

importante propriedade física, a carga elétrica.

– A carga elétrica do próton e a do elétron têm a mesma intensidade, porém com sinais contrários. – A carga do próton é positiva e a do elétron, negativa.

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Visão Geral e Conceitos

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Visão Geral e Conceitos

●

Em um átomo não existe predominância de

cargas elétricas.

– O átomo é um sistema eletricamente neutro. – O número de prótons é igual ao número de

elétrons.

● Quando ele perde ou ganha elétrons, fica eletrizado. ● Eletrizado positivamente quando perde elétrons e

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24/10/13 Cássio Pinheiro - Magnetismo e Carga Elétrica 6

Visão Geral e Conceitos

●

Magnetismo – Origem do Termo

– Resultou do nome Magnésia,

região da Ásia Menor (Turquia).

– Na região é encontrado o

minério chamado magnetita (ímã natural).

– A magnetita tem a

propriedade de atrair objetos ferrosos sem contato físico.

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Visão Geral e Conceitos

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Visão Geral e Conceitos

●

Eletromagnetismo

– Teoria unificada desenvolvida por James Maxwell. – Explica a relação entre a eletricidade e o

magnetismo.

– A teoria baseia-se no conceito de campo

eletromagnético.

● James Clerk Maxwell, físico e matemático

britânico, nasceu em Edimburgo em 13 de Junho de 1831 e é mais conhecido por ter dado a sua forma final à teoria moderna do

eletromagnetismo, que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica.

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Visão Geral e Conceitos

●

Campo Magnético

– Resultado do movimento de cargas elétricas, ou

seja, é resultado de corrente elétrica.

– Pode resultar em uma força eletromagnética

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Visão Geral e Conceitos

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Visão Geral e Conceitos

●

Eletricidade e Magnetismo

– A variação do fuxo magnético resulta em um

campo elétrico.

– A variação de um campo elétrico gera um campo

magnético.

Fluxo Magnético gerando Campo Elétrico

Campo Elétrico gerando Campo Magnético

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Visão Geral e Conceitos

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Visão Geral e Conceitos

●

Campo Eletromagnético

– Devido a interdependência entre campo elétrico e

campo magnético, é natural uma única entidade chamada campo eletromagnético.

– A indução eletromagnética é o mecanismo utilizado

em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão.

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Visão Geral e Conceitos

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Visão Geral e Conceitos

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Histórico

●

Precursores

– Desde a Grécia Antiga, fenômenos magnéticos e

elétricos são conhecidos.

– Durante os séculos XVII e XVIII cientistas como

William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta entre outros, dedicaram-se a investigar os dois fenômenos

separadamente.

– No início do século XIX, Hans Christian Orsted

obteve evidência empírica da relação entre os fenômenos magnéticos e elétricos.

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Histórico

●

Trabalhos e Experimentos

– Os trabalhos de físicos como André-Marie Ampère,

William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon

Ohm, Michael Faraday foram unificados por James Clerk Maxwell em 1861 sob equações que

descreviam o fenômeno eletromagnético.

– As equações de Maxwell demonstravam que os

campos elétricos e os campos magnéticos eram manifestações de um só campo eletromagnético.

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Histórico

●

Trabalhos e Experimentos

Experimentos sobre atração e

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Histórico

● Aplicações Práticas

– Com uma teoria única e consistente, que descrevia o

fenômeno eletromagnético, os cientistas puderam realizar experimentos e inventos úteis, como a

lâmpada elétrica (Thomas Alva Edison) e o gerador de corrente alternada (Nikola Tesla).

● Nikola Tesla, ou Никола Тесла, foi um inventor nos

campos da engenharia mecânica e eletrotécnica. De etnia sérvia, nascido na aldeia de Smiljan em 10 de Julho de 1856, era súdito do Império Austríaco por nascimento e mais tarde tornou-se um cidadão

estadounidense. Tesla é muitas vezes descrito como um importante cientista e inventor da idade moderna, um homem que "espalhou luz sobre a face da Terra".

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Histórico

●

Aplicações Práticas

Lâmpada Incandescente Thomas Edson Gerador CA Nikola Tesla

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Histórico

●

Na Atualidade

– Na primeira metade do século XX, com o advento

da mecânica quântica, o eletromagnetismo tinha

que melhorar sua formulação com o objetivo de que fosse coerente com a nova teoria.

– Isto aconteceu na década de 1940 com a teoria

quântica eletromagnética, mais conhecida como eletrodinâmica quântica.

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Força Eletromagnética

● É a força que um campo eletromagnético exerce

sobre cargas elétricas.

● É uma das quatro forças fundamentais. As

outras são:

– Nuclear forte, que mantém o núcleo atômico coeso; – Nuclear fraca, que causa certas formas de

decaimento radioativo;

– Gravitacional.

● Quaisquer outras forças provêm

necessariamente dessas quatro forças fundamentais.

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Força Eletromagnética

● Tem a ver com praticamente todos os

fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade.

– As interações entre os átomos são regidas pelo

eletromagnetismo, já que são compostos por prótons e elétrons.

– Interferem nas relações inter moleculares.

Incluindo fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

● É resultado da interação de cargas elétricas

com fótons, conforme a eletrodinâmica quântica.

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Força Eletromagnética

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Descobrindo a Carga Elétrica

●

Os gregos notaram que o âmbar, quando

atritado, adquiria a propriedade de atrair

pequenos pedaços de palha.

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Descobrindo a Carga Elétrica

●

Um exemplo que ilustra essas propriedades

utiliza dois bastões de vidro e um pedaço de

seda.

– Cada bastão de vidro é atritado com o pedaço de

seda. – Um dos bastões de vidro é suspenso e o outro bastão é aproximado do primeiro.

– Observa-se que os dois

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Descobrindo a Carga Elétrica

●

Usando duas barras de plástico atritadas com

um pedaço de lã ou pele de animal.

– Observa-se que as duas barras de plástico

repelem-se, da mesma maneira que os bastões de vidro do experimento anterior.

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Descobrindo a Carga Elétrica

●

Aproximamos a barra de plástico atritada com

lã do bastão de vidro atritado com seda.

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Carga Elétrica

●

Princípios da Eletrostática

– Princípio da atração e repulsão

● Cargas elétricas de mesmo sinal se

repelem;

● Cargas elétricas de sinais opostos

se atraem.

– Princípio da conservação das

cargas

● Num sistema eletricamente

isolado, a soma algébrica das

quantidades de cargas positivas e negativas é constante.

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Carga Elétrica

●

É uma propriedade ligada à natureza de um

corpo responsável pela interação elétrica

entre os corpos, ou seja, de atração e repulsão.

●

Sendo a carga do elétron a

menor quantidade de

carga elétrica existente

na natureza, ela foi

tomada como carga

padrão nas medidas de

carga elétricas.

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Carga Elétrica

●

No Sistema Internacional de Unidades, a

unidade de medida de carga elétrica é o

Coulomb (

C

).

●

A carga do elétron, quando tomada em módulo,

é chamada de carga elementar, sendo

representada por (

e

).

– Carga elementar:

1,6.10

-19

C

– Carga do elétron:

-1,6.10

-19

C

– Carga do próton:

+1,6.10

-19

C

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Carga Elétrica

●

Quantização

– Mesmos os fuidos clássicos não são contínuos.

● Água e ar são compostos de átomos e moléculas.

– O fuido elétrico também não é contínuo.

● Composto por unidades elementares de carga.

● A carga elementar e é uma das constantes mais

importantes da natureza.

– Os Quarks.

● Partículas elementares que formam os prótons e

nêutrons apresentam cargas de ±e/3 ou ±2e/3.

● Existem indícios de que não podem ser observados

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Carga Elétrica

●

Quantização

– Todas as cargas positivas e negativas que podem

ser detectadas podem ser determinadas por:

Q = n . e

– Onde:

● Q → Quantidade de carga elétrica;

● e → Carga elétrica elementar (1,6.10-19 C);

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Carga Elétrica

●

Conservação

– O processo de eletrificação de corpos não cria

cargas elétricas.

● As cargas são apenas apenas transferidas de um corpo

para outro.

● Sendo assim a carga elétrica é uma grandeza que

obedece a lei geral de conservação de energia.

– A carga elétrica de qualquer sistema isolado é

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Exercícios de Fixação (1)

●

Em um átomo, a carga elétrica dos prótons é

igual a

2e

. Sendo a carga dos elétrons também

2e

, qual a carga elétrica resultante?

●

Resolução:

– Sendo a carga do elétron composta pela somatória

das cargas dos prótons e elétrons, tem-se:

Q = Qp + Qe

, onde:

Q = +2e + (-2e)

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Exercícios de Fixação (2)

● Um corpo condutor inicialmente neutro ganha 5.1013

elétrons. Considerando a carga elementar e = 1,6.10-19_{, qual}

será a carga elétrica no corpo após esta perda de elétrons?

● Resolução:

– Sendo n o número de elétrons que modifica a carga do corpo:

Q = n.e

Q = (5.1013).(1,6.10-19)

Q = 8.10-6C

Q = 8µC

– Agora deve-se pensar no sinal da carga. Se o corpo perdeu elétrons,

ele ganha carga negativa, ficando, portanto, com mais carga negativa, então, carregado negativamente.