FÍSICA E ELETROMAGNETISMO

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FÍSICA E ELETROMAGNETISMO

• As ciências em geral, e a física em particular pretendem descrever o universo material.

• Um dos bem sucedidos objetivos da física tem sido a descrição dos constituintes deste universo material e a interação entre estes constituintes .

• O comportamento dos constituintes da matéria se revela através de eventos físicos – acontecimentos no mundo material - que as teorias/modelos teóricos se esforçam por descrever.

• A descrição dos eventos físicos pressupõe a existência de palco onde eles ocorrem. ______________________________________

A tríade/trindade teórica da física

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1º_{elemento da tríade}

• O espaço-tempo – grandezas que permitem descrever onde e quando os eventos físicos ocorrem.

Na Física clássica (baixas velocidades comparadas com a da luz e grandes dimensões comparadas com átomos):

Espaço: vazio, infinito, tridimensional, homogêneo, isotrópico e independente do tempo Tempo: unidimensional, uniforme, infinito e independente do espaço

Na física relativística (Einstein- 1905)

O espaço-tempo é entidade única (elementos de um vetor quadridimensional) e se constituem no palco onde os eventos transcorrem.

___________________________________ A tríade/trindade teórica da física

2º elemento da tríade

• Matéria-campos: os diferentes atores materiais são as entidades físicas envolvidas nos acontecimentos (eventos físicos) que ocorrem no espaço-tempo.

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• Interação-movimento (dinâmica) - determinam as “peças” (eventos-físicos) que os “atores materiais”, dadas suas características, podem representar.

______________________________ A TRÍADE/TRINDADE TEÓRICA

PALCO { espaço-tempo

ATORES { matéria-campos

PEÇA { dinâmica (interação-movimentos) ______________________________________

______________________________________ MATÉRIA-CAMPOS: um conceito circular _____________________________________

• A matéria é constituída de entes básicos que se localizam no espaço e “vestem” o espaço ao seu redor com o campo a ela associado.

• A partir da interação (forças) entre entes-básicos constituintes da matéria, que acontece

através da intermediação dos campos nos espaços que os circundam, são formados os

aglomerados de matéria, que por sua vez, evidenciam a interação entre seus constituintes. • Os campos são uma parte real, mas não material, do objeto material que preenchem o

espaço que circunda o objeto.

______________________________________ As cargas elétricas estáticas e seus campos Propriedades básicas

• Eternos – as cargas são grandezas escalares conservadas e o campo elétrico a elas associadas é de natureza vetorial, e é indestrutível. Unidade no sistema internacional: Coulombs (C).

• Dois tipos – cargas positivas (+) e negativas (-) - as cargas e seus campos podem ter seu efeito anulado pela presença de carga de igual intensidade e de tipo diferente (ainda que cargas e campos sejam eternos).

• Quantizadas – existe uma quantidade elementar de carga (e=11,6X10−19_{C), e qualquer}

carga é um número inteiro (soma algébrica) destas cargas elementares. O campo das muitas cargas é a soma (vetorial) dos campos de cada carga.

CAMPO ELETROSTÁTICO DE CARGAS PUNTIFORMES • Características gerais do campo eletrostático de cargas:

1. tem natureza vetorial;

2. tem, num dado ponto do espaço, direção na linha que une a carga ao ponto, e sentido “saindo da carga” positiva e “entrando na carga” negativa;

3. tem módulo proporcional ao valor da carga, e inversamente proporcional ao quadrado da distância do ponto à carga;

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4. sua unidade no sistema internacional é Newton por Coulomb (N/C), ou seja, força por unidade de carga.

__________________________________________________________ CARGAS ELÉTRICAS NA MATÉRIA – ISOLANTES & CONDUTORES

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• O modo como a carga elétrica se distribui em corpos de dimensões macroscópicas dependem, essencialmente, da possibilidade de locomoção das cargas dentro dos mesmos.

• A mobilidade das cargas nos materiais está associada a aspectos da estrutura atômica do material.

• Isolantes ou dielétricos (ideais) são materiais (sólidos, líquidos ou gasosos) nos quais as cargas elétricas não conseguem se deslocar de um ponto a outro. Exemplos: plásticos, borracha, madeira, cerâmicas.

• Condutores (ideais) são materiais (sólidos, líquidos ou gasosos) nos quais há cargas com grande facilidade de locomoção. Exemplo: metais.

A ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA : AS CARGAS e sua mobilidade ___________________________________________________________________

• A matéria é neutra em seu estado natural. Mas não por ausência de cargas elétricas, mas

porque tem igual quantidade de cargas positivas e negativas;

• As cargas negativas estão essencialmente nos elétrons dos átomos, enquanto as positivas estão nos prótons dos núcleos atômicos;

• Nos materiais isolantes os elétrons são essencialmente ligados a um único átomo ou molécula, sendo que os átomos e moléculas também são ligados uns aos outros, não

havendo mobilidade das cargas da matéria.

• Nos materiais condutores, há em média, de um a um e meio elétrons por átomo que têm

pequena ligação com os núcleos atômicos/moléculas, e grande mobilidade na rede do condutor. Estes são chamados elétrons livres.

• Os elétrons têm massa da ordem de duas mil vezes menor que a dos prótons. Por outro lado, eles têm ligações atrativas com os núcleos muito menos fortes que as ligações atrativas entre os constituintes dos núcleos (prótons e neutrons). Assim, é muito mais fácil mover e/ou tirar as cargas negativas do que as positivas dentro da matéria. Em particular, os chamados elétrons livres dos metais podem se mover nos materiais com grande facilidade, daí serem também chamados de elétrons de condução (elétrica).

• O efeito macroscópico de igual número de cargas positivas e negativas muito próximas uma das outras, no caso das distribuições naturais das cargas na matéria (os átomos têm dimensões de aproximadamente 10-10m), resulta, em geral, em campo elétrico nulo fora da matéria (nos condutores e nos isolantes).

• Materiais semicondutores têm uma capacidade de condução intermediária entre os condutores e isolantes, mas não se trata de condutores e isolantes reais. A razão pela qual conduzem eletricidade depende de estruturas atômicas de caráter quântico, diferentemente da condução em condutores, que tem descrição clássica plausível.

• Materiais supercondutores têm grande capacidade de condução elétrica, e são descritos por fenômeno quântico, de natureza diferente da condução nos semicondutores.

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_________________________________________________________________ CONDIÇÕES AMBIENTAIS e as características de condução elétrica __________________________________________________________________

• Condições de temperatura podem influir sobre a capacidade de mobilidade das cargas nos condutores, transformando-os em isolantes.

• Impurezas na superfície e umidade no ar podem influir na imobilidade das cargas em materiais isolantes. Em função da condição de limpeza e umidade do ar, um material isolante pode se tornar condutor.

______________________________________________________________________ FENOMENOLOGIA DA ELETROSTÁTICA

a localização das cargas nos materiais, e o campo elétrico no espaço ao seu redor ______________________________________________________________________

• As cargas colocadas numa dada região de isolante tendem a permanecer onde foram colocadas.

• Nos condutores, as cargas com mobilidade tendem a se distribuir de maneira a anular o

campo dentro dos condutores. O resultado da distribuição de equilíbrio estático favorece maior concentração de cargas nas regiões superficiais e de menor raio de curvatura.

Este efeito é chamado de “poder das pontas” dos condutores.

• Um corpo com maior número de cargas de um sinal numa dada região macroscópica do material, mesmo que tenha igual quantidade de carga oposta em outra região macroscópica, tem um campo elétrico não nulo no espaço em torno de si.

os processos de eletrização

• Eletrização é o processo de colocar um excesso de carga de dado sinal num corpo; • Pode-se eletrizar (ou carregar) isolantes por atrito com certo tipo de material;

o processo de indução eletrostática

• A indução eletrostática é um fenômeno típico de ação de campo elétrico. Por exemplo, corpo eletrizado tem campo elétrico no espaço ao seu redor. Se for colocado um corpo neutro nesta região do espaço, haverá uma interação atrativa com as cargas de sinal oposto e repulsiva com as de mesmo sinal, fazendo com que haja uma redistribuição de cargas no corpo neutro. As cargas de sinal oposto ficam mais próximas e as de mesmo sinal ficam mais afastadas das cargas indutora, enquanto na presença do campo elétrico.

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o processo de eletrização por indução

• Se o corpo neutro que está na presença do carregado for condutor, e se, ainda na presença do campo elétrico for ligado um fio ligando o condutor à Terra, ele ficará carregado com carga de sinal oposto ao das cargas indutoras. Este fenômeno é chamado de eletrização por

indução.

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PROCESSOS MOLECULARES NA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA

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• O fenômeno de indução acontece por efeito de polarização molecular, isto é, as cargas das moléculas têm um pequeno deslocamento (da ordem da dimensão molecular: 10-10_{m) em}

sentidos contrários, fazendo com que o centro das cargas positivas se desloque em relação ao centro das cargas negativas, formando um dipolo elétrico.

• Nos condutores, além da polarização molecular, há também deslocamento dos elétrons livres.