Física 3 Turma Profa. Ignez Caracelli 3/9/2015. Física C. Aula 01 Introdução. Aulas. Leiam! Livro Texto Leiam! Profa. Ignez Caracelli Física 3

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Profa. Ignez Caracelli Física 3

Física 3

Turma – 99031

Aula 01

Introdução

Profa. Ignez Caracelli

Física C

2

Aulas

Livro Texto Leiam! Livro Texto Leiam!

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Profa. Ignez Caracelli Física 3 5 Façam e Refaçam os Exercícios!

Material Disponível

6

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Ementa da Disciplina

01. Carga elétrica, força de coulomb e conceito de campo elétrico.

02. Cálculo do campo elétrico por integração direta.

03. Cálculo do campo elétrico com a lei de Gauss.

04. Potencial elétrico.

05. Materiais dielétricos e capacitores.

06. Corrente elétrica

07. Campo magnético.

08. Cálculo do campo magnético: lei de Ampère e Biot-Savart.

09. Indução eletromagnética e lei de Faraday.

10. Equações de Maxwell. Propriedades magnéticas da matéria: diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo.

Avaliação

Os alunos serão submetidos a seis provas regulares, com diferentes conteúdos

Prova 1 (P1): carga elétrica, campo elétrico

Prova 2 (P2): Campo elétrico e lei de Gauss

Prova 3 (P3): Potencial elétrico

Prova 4 (P4): Capacitância, corrente elétrica

Prova 5 (P5): Campo magnético, leis de Ampère e Biot-Savart, Lei de Faraday e indutância

Prova 6 (P6): Equações de Maxwell e Propriedades da Matéria. A média das provas será

(3)

Avaliação

9

A média das provas será

MP = (P1+ P2 + P3 + P4 + P5 + P6)/6

provas datas prováveis

P1 18/03 P2 01/04 P3 15/04 P4 06/05 P5 03/06 P6 24/06

Avaliação

Não haverá prova substitutiva.

10

Avaliação Complementar

Os alunos com média final igual ou superior a 5.0 (cinco) e inferior a 6.0 (seis) e 75% de frequência terão uma única

avaliação complementar com os seguintes conteúdos:

• Lei de Gauss,

• Potencial Elétrico,

• Lei de Ampère e Biot-Savart e

• Lei de Faraday.

A avaliação complementar está prevista até os 30 primeiros dias úteis do período letivo seguinte.

Avaliação

A nota obtida na avaliação complementar será somada à nota final obtida no período letivo e será feita a média aritmética.

O aluno será aprovado se obtiver a média igual ou superior a 6,0 (seis).

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Eletricidade: onde???

13

http://giphy.com/gifs/mrw-light-electricity-g1uRRCHsfPlkY

Eletricidade: onde???

14

produção de fármacos

Eletricidade: para que???

produção de sensores

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Eletricidade: para que???

17 Profa. Ignez Caracelli Física 3

Eletricidade: para que???

18

Eletricidade: para que???

Ondas Eletromagnéticas

E

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Equações de Maxwell

representam uma das maneiras mais elegantes e concisas para os fundamentos da eletricidade e do magnetismo

fenômenos de eletricidade fenômenos de magnetismo

unificação das equações: Equações de Maxwell

fenômenos de eletricidade fenômenos de magnetismo

Teoria do Eletromagnetismo

Lei de Gauss para o Magnetismo

Lei de Indução de Faraday

Lei de Ampère

Lei de Gauss para a Eletricidade

Equações de Maxwell

22

Equações de Maxwell situações descritas pelas equações podem ser complexas

caso estático: independe de t

cargas elétricas fixas no espaço ou se movem em forma de um fluxo estacionário

Equações de Maxwell

Física 3

Aula 01

Carga Elétrica

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Profa. Ignez Caracelli Física 3 gregos

Fenômenos de Eletricidade

âmbar = eectron Tales de Mileto Grécia - 624 - 546 a.E.C. 25

âmbar → resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais

eletricidade estática

carga elétrica

quantidade fundamental

presente em todos os

fenômenos elétricos

Fenômenos de Eletricidade

26

MATÉRIA

ÁTOMOS eletrosfera [elétrons (negativos)] núcleo [prótons (positivos) + nêutrons (sem carga)]

partículas

A Matéria

(8)

O íon

Molécula

30

O íon

quebra de ligações

perda de 1 elétron ganho de 1 elétron

(9)

Condutores

Isolantes

Semicondutores

Supercondutores

Tipos de Materiais

Condutores

Isolantes

Tipos de Materiais

34

mobilidade dos elétrons

Condutores

Tipos de Materiais

a carga líquida positiva

está distribuída

próxima à superfície

a carga livre

carga líquida = net charge carga líquida = carga resultante

Isolantes

Tipos de Materiais

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Isolantes

Tipos de Materiais

37

a carga imóvel

elétrons de valência

fortemente ligados

núcleo

elétrons internos

elétrons de valência

Condutores

Tipos de Materiais

38

a carga móvel

elétrons de valência livres

mar de elétrons

íons positivos

Isolantes de eletricidade São os meios materiais nos quais não há facilidade de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc.

Isolantes e Condutores

Condutores de eletricidade

São os meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas, devido a presença de "elétrons livres". Ex: fio de cobre, alumínio, etc.

Condutores

e

Isolantes

Um condutor oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica.

(11)

Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores nem bons isolantes.

Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura e tornando-se excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina.

Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores.

Tipos de Materiais: semicondutores

são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes.

Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.

importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transistores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia.

atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

Tipos de Materiais: semicondutores

42

Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinados materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga.

Esses são os materiais supercondutores.

Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente.

Tipos de Materiais: supercondutores

Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente.

Sem resistência elétrica alguma a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga.

A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911.

Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto não-metálico.

(12)

Pesquisas sobre materiais que são supercondutores tanto em baixas como em altas temperaturas.

As potenciais aplicações incluem transmissão de energia a grandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens.

Tipos de Materiais: supercondutores

46

http://iopscience.iop.org/0953-2048/27/8/082001/pdf/0953-2048_27_8_082001.pdf

Durrell et al., Superconductor Science and Technology, 27 (2014) 082001 (5pp)

Um grupo da Universidade de Cambridge, utilizou uma liga de óxido de cobre bário e gadolínio e produziram um supercondutor da categoria de alta temperatura, acima do ponto de ebulição do nitrogênio, – 196 °C.

Isso por si só não é novidade, mas o condutor criado encapsulou um campo magnético de 17,6 tesla. Os ímãs do LHC tem potência de 8 T. Esse recorde superou o anterior, de 17,2 tesla; estabelecido em 2003 por cientistas japoneses.

Supercondutores

http://giphy.com/gifs/ted-magnet-superconductor-quantum-locking-gw3FZeqeAiKbXM2I

Supercondutores

http://giphy.com/gifs/physics-levitation-superconductivity-2TeAeLRMhnQxq

(13)

transferência de cargas de um

material para outro

Eletrização: o que é?

transferência de cargas de um material para outro

Eletrização

indução contato atrito

Processos de Eletrização

50

Eletrização por Atrito

Triboeletrização (ou eletrização por atrito): Ocorre em função da passagem de elétrons de um corpo para outro.

Os elétrons da camada periférica - fracamente ligados ao átomo, mais precisamente ao núcleo deste átomo - são capturados pelos átomos do outro corpo, que possuem elétrons não tão distantes. Os corpos adquirem, assim, cargas de sinais contrários.

(14)

Série Triboelétrica:

Quando dois elementos constantes na tabela são

atritados,

o elemento que ocupa a posição superior perde

elétrons,

enquanto

o que ocupa a posição inferior ganha elétrons. perde elétrons

ganha elétrons

Eletrização por Atrito

lã + bastão de vidro

perde elétrons

ganha elétrons

Eletrização por Atrito

54

lã + ebonite

perde elétrons

ganha elétrons

Eletrização por Atrito

Eletrização por Indução

1. Esferas condutoras neutras isoladas:

+ + + +

-

_-

-

+ + + +

-

_-

-

isolante

(15)

Eletrização por Indução

57

2. Esferas condutoras neutras juntas na presença de indutor:

+ + + +

-

_-

-

indutor

-

+ + + +

-

_-

+ + +

ocorreu redistribuição de cargas mas a soma de cargas torna o conjunto neutro

Eletrização por Indução

58

3. Esferas condutoras separadas na presença de indutor: indutor

-

as esferas estão agora carregadas

-

_-

-

+ + + +

-

isolante + + + + esfera carregada esfera carregada

Eletrização por Indução

4. Esferas condutoras separadas sem o indutor:

as esferas estão agora carregadas

-

_-

-

+ + + +

-

isolante + + + + esfera carregada esfera carregada terra

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Eletrização por Contato

Em um sistema isolado, a soma de todas

as cargas do sistema permanece

constante.

Um sistema isolado é a parte do universo que queremos estudar e que se encontra livre de influências externas.

Qual o significado dessa lei?

Quer dizer o sistema pode ser acelerado, iluminado, aquecido, ou sofrer outras influências e sua carga total não sofrerá mudanças,

exceto se houver transferência de cargaentre o sistema e o meio

externo.

Conservação da Carga

62

(17)

Eletroscópio

65 esfera metálica neutra isolante carregado -

Eletroscópio

66 transferência de elétrons por contato esfera metálica carregada - isolante carregado -

Eletroscópio

em um processo rápido a carga se distribui pelo

eletroscópio esfera metálica carregada - haste metálica carregada - haste metálica carregada -

Eletroscópio

cargas de mesma natureza - se reprelem

-

(18)

Profa. Ignez Caracelli Física 3 + +₊ + + ++ ++ ++ ++ ++ ++ + + +₊ + +₊ -- -- -- -+ + + + + + + + + + + +₊ + +₊ -- -- -- -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Gaiola de Faraday

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http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage#mediaviewer/File:Cage_de_Faraday.jpg

É seguro permanecer dentro de um automóvel em uma tempestade com raios?

Sim. O excesso de cargas está na superfície. Se os ocupantes permanecerem dentro, estarão seguros.

(19)

Ano de invenção: 1931

Objetivo:

produzir una ddp muito alta

(~ 20 milhões de volts) para

acelerar partículas

carregadas .

O

gerador de van de Graaff

é um gerador de

corrente constante

,

enquanto que a

bateria

é um gerador de

tensão constante

.

Gerador de Van de Graaff

Gerador de

Van de Graaff

74

(20)

Profa. Ignez Caracelli Física 3 77

Lei de Coulomb Lei experimental

12

F



21

F



21

F



12

F



12

F



21

F



há duas espécies de carga elétrica duas cargas puntuais exercem, entre si, forças que atuam ao longo da linha que as une e são inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre elas as forças são proporcionais ao produto das cargas; são repulsivas para cargas de mesmo sinal e atrativas para cargas de sinais opostos

Lei de Coulomb

78

21

12 F

F









2

1 r

q

k

F



Lei de Coulomb;

Modelo Matemático

Lei de Coulomb

duas

cargas

muitas

cargas?

princípio de

superposição

(21)

Profa. Ignez Caracelli Física 3 N cargas puntuais q1  q4 + q2 + q3 + F12 F13 F14 +

princípio de superposição

81 41 31 21 1

F















31 F 41 F 21 F

N cargas puntuais

princípio de superposição

82

carga elétrica

 propriedade da matéria

força elétrica

 interação entre cargas

campo elétrico

 a presença de uma carga elétrica

campo elétrico E

campo elétrico

 a presença de uma carga elétrica

campo elétrico

 linhas de campo elétrico

+

-carga positiva

carga negativa

(22)

campo elétrico E e cargas

-q

-

+q

+

85 distribuição radial e tridimensional