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● FÍSICA
A física é a ciência que estuda as propriedades da matéria e das energias. Seus estudos baseiam-se em experimentações e pesquisas sobre como funcionam os aspectos da natureza, como o vento, a matéria química, o movimento e as interações entre cada um desses elementos. Assim como a filosofia, a física é uma das mais antigas disciplinas estudadas pela humanidade, uma vez que também é marcada pelas questões existenciais, como “o que são os astros?”, “de onde viemos?”, ou “como funciona o universo?”
FORÇA MAGNÉTICA
A força magnética é a força que faz a interação entre dois objetos com propriedades magnéticas. Ou seja, se colocarmos um corpo de prova feito de material com propriedades magnéticas em uma região onde existe campo magnético, o corpo fica sujeito a uma força de origem magnética. A denominação força magnética é muitas vezes substituída por força de Lorentz, em homenagem ao físico holandês Hendrik Antoon Lorentz. O mistério de uma força atuando à distância é uma grande surpresa quando observado pela primeira vez. Inicialmente, o magnetismo foi considerado uma das forças da natureza, manifestada no ferro e em outras substâncias mais raras que eram chamadas de substâncias ferromáticas. Experimentos realizados por Christian Oersted (1777-1951) contribuíram para o conhecimento da natureza do magnetismo e provaram a relação entre magnetismo e eletricidade. Abriu-se, então, o caminho para o estudo do eletromagnetismo, que propiciou o desenvolvimento de, por exemplo, geradores de eletricidade e motores elétricos. O que é força magnética? Analisando o efeito de um campo magnético sobre uma carga elétrica móvel. Para isso, consideramos uma carga elétrica q deslocando-se com velocidade v em relação às linhas de um campo magnético uniforme B. A força magnética Fm que age sobre a carga móvel (q) apresenta as seguintes características: É sempre perpendicular ao vetor velocidade v; É sempre perpendicular ao vetor campo magnético B. Ou seja, a força magnética é perpendicular ao plano formado pelos vetores v e B.
Conhecendo as direções e os sentidos dos vetores v e B podemos determinar a direção do vetor força magnética Fm pela chamada regra da mão esquerda. Essa configuração muda de acordo com o sinal que a carga assume. Desse modo, a intensidade da força magnética é dada por: Sendo:
Nesse caso, como sen 90° = 1, a força magnética é dada por: Fm = |q| vB. E o raio da curva é dado por: R = mv/ |q| B. Isso mostra que partículas de mesma carga e mesma velocidade, mas de massas (m) diferentes, descrevem diferentes arcos de circunferência em um mesmo campo magnético. Podemos também calcular o período, ou seja, o tempo em que a partícula leva para dar uma volta completa em sua trajetória circular.
Lançamento Oblíquo ao campo magnético (θ ≠ 90° e 0° < θ < 180°)
A partícula executa um movimento circular uniforme enquanto também executa movimento retilíneo e uniforme. Compondo os dois movimentos, obtemos uma trajetória que acompanha a superfície de um cilindro. É uma curva tridimensional chamada hélice cilíndrica. Força magnética atuando sobre um condutor retilíneo
Trabalharemos agora não com uma, mas com várias cargas em movimento sob a ação de um campo magnético uniforme. Essas várias cargas estão confinadas em um fio e constituem uma corrente elétrica (i). Sendo L o comprimento do fio e v a velocidade dos portadores de carga, escrevemos em módulo, a força magnética como: A direção da força magnética é perpendicular ao plano determinado pela reta que contém o fio e pela reta que contém o vetor campo magnético. O sentido pode ser obtido pela regra da mão esquerda, na qual o vetor velocidade é substituído pelo sentido da corrente elétrica. Força magnética entre fios paralelos Sabemos que toda corrente elétrica gera ao redor de si um campo magnético. Vamos considerar dois fios longos e paralelos, 1 e 2, percorridos pelas correntes elétricas i 1 e i 2. Devido à corrente elétrica no fio 1, é gerado um campo magnético B 1 na região que se encontra o fio 2. Como os fios são paralelos, todos os pontos do fio 2 estão a uma mesma distância do fio 1 e, portanto, sujeitos a um campo magnético de mesma intensidade. Como resultado, o fio 2 fica sujeito a uma força magnética. Considerando um trecho de fio de comprimento L, a intensidade da força magnética é: Sendo: ● d: distância entre os dois fios; ● μ: constante de permeabilidade magnética do meio em que está o fio, que no vácuo é: μ = 4π. 10-7. Reciprocamente, o fio 1 também fica sujeito a uma força magnética. Quando os fios têm correntes de mesmo sentido, a força magnética entre os fios é de atração. Em correntes de sentidos contrários, a força é de repulsão.
iônica (compostos iônicos), como é o caso da solução aquosa de NaCl, e provenientes da ionização (compostos moleculares) de compostos ácidos, básicos ou salinos em um solvente, que é normalmente a água, como é o exemplo da solução aquosa de ácido clorídrico. Terceira classe: condutores gasosos Normalmente, um gás é isolante, no entanto, a ação de um forte campo elétrico pode ionizá-lo, formando, como portadores livres, íons positivos e elétrons. Semicondutores e supercondutores Além dos três tipos de materiais condutores descritos anteriormente, temos as substâncias semicondutoras e as supercondutoras. Como exemplo de semicondutores temos o silício e o germânio. Em altíssimos graus de pureza, esses elementos são praticamente isolantes, mas a inserção de pequenas quantidades de gálio ou arsênio, por exemplo (processo comumente chamado de “dopagem”), cria lacunas não-preenchidas por elétrons ou elétrons livres, tornando o conjunto condutor. Modernamente, fundindo-se diferentes materiais em proporções adequadas, obtêm-se “cerâmicas” supercondutoras a temperaturas bem acima do zero absoluto, mas ainda muito baixas em relação à temperatura ambiente. Corrente elétrica Suponhamos um pedaço de fio de cobre isolado. Nesse metal, os elétrons livres não estão em repouso: eles descrevem um movimento caótico, sem nenhuma direção preferencial. No entanto, quando aplicamos uma diferença de potencial nos extremos desse fio, estabelecemos um movimento de elétrons numa direção preferencial, do menor para o maior potencial elétrico, constituindo o que chamamos de corrente elétrica – corrente elétrica é o movimento ordenado de portadores de carga elétrica. O sentido escolhido para a corrente elétrica e o sentido do movimento dos portadores de carga positivos. A intensidade da corrente elétrica (i) fornece o fluxo de portadores de carga por unidade de tempo, que é dada por:
Sendo |ΔQ| a quantidade de carga e Δt o intervalo de tempo. Ao analisarmos um gráfico de uma corrente elétrica que varia com o tempo, a área abaixo da curva indica a quantidade de carga ΔQ conduzida durante um intervalo Δt de tempo. No SI, a unidade para intensidade de corrente elétrica é o ampère (A). É comum utilizarmos os submúltiplos da corrente elétrica: ● Miliampere (mA) = 1mA = 10-3^ A; ● Microampere (μA) = 1 μA = 10-6^ A.
EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA
Efeito Magnético Toda corrente elétrica de um condutor, no espaço ao seu redor, tem um campo magnético que é proporcional à intensidade de corrente. Efeito Joule Nos condutores se processa a transformação da energia elétrica em energia térmica. Esse é o princípio de funcionamento do chuveiro e do ferro
Também podemos escrever a potência em função da diferença de potencial U e da corrente elétrica i: Porém, no SI, a unidade de medida da potência, ao invés de ser joule/segundo, é o watt (W). Para facilitar a medida do consumo de energia, começou a ser utilizado o quilowatt-hora, cuja relação com a unidade joule é: 1kwh = 3,6. 10^6 J.
CARGA ELÉTRICA – PRINCÍPIO DE ATRAÇÃO E REPULSÃO E
EFEITO CASIMIR
A carga elétrica é uma importante propriedade física da matéria, que determina as interações eletromagnéticas dos corpos eletrizados. Para entendermos algumas de suas características, é preciso dividir a matéria em pedaços cada vez menores até encontramos o átomo com um diâmetro de, aproximadamente, 10 -10m. Partículas elementares Ao longo da história da ciência, foram propostos vários modelos para o átomo, entretanto, podemos nos concentrar no modelo apresentado por Rutherford, em 1911, como mostra a figura ao lado. Ele nos explica a origem de toda a eletricidade. Todos os materiais que conhecemos são constituídos de átomos. Esses são formados por um núcleo no qual se encontram agrupados os prótons e os nêutrons. Girando em torno dele, em órbitas de circunferências ou elípticas, estão os elétrons. O átomo é eletricamente neutro por possuir prótons e elétrons em quantidades iguais.
Estas são partículas subatômicas, cada uma com uma carga elétrica. O corpo com excesso de elétrons apresenta quantidade de carga elétrica negativa, ou seja, está negativamente eletrizado. Já aquele com falta de elétrons apresenta quantidade de carga elétrica positiva (pois nele passa a predominar a carga positiva dos prótons), ou seja, está eletrizado positivamente. A unidade de carga é o coulomb, abreviado pela letra maiúscula C., em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb. Unidade de carga elétrica No SI, a unidade de quantidade de carga elétrica é o coulomb (C). Como 1 C é uma quantidade de carga elétrica muito grande, é comum a utilização dos seus submúltiplos: ● 1 mC (milicoulomb) = 10-3^ C; ● 1 uC (microcoulomb) = 10-6^ C; ● 1 nC (nanocoulomb) = 10-9^ C. Carga elétrica elementar A carga elementar é o menor valor de carga elétrica que existe na natureza. Ela é a carga que pode ser encontrada nos prótons e elétrons. Esse valor, simbolizado por e, é denominado quantidade carga elementar, sendo igual a 1,6. 10-19^ C. A carga elétrica de um elétron é igual, em módulo, à do próton. Os valores dessas cargas expressas em coulomb são: O módulo dessas cargas costuma ser denominado carga elétrica elementar (e), valendo, portanto:
Quando:
● np = ne – Eletricamente neutro;
● np > ne – Corpo eletrizado positivamente, cedeu elétrons;
● np < ne – Corpo eletrizado negativamente, recebeu elétrons.
Já para que esse corpo receba ou doe elétrons ele precisará sofrer algum dos três processos de eletrização: atrito, contato ou indução. Porém, não é possível eletrizar um corpo arrancando-lhe ou fornecendo-lhe prótons, uma vez que essas partículas são cerca de 1840 vezes mais massivas que os elétrons e encontram-se fortemente ligadas a outros prótons, no núcleo atômico. A maioria dos corpos que estão ao nosso redor estão eletricamente neutros. Isso ocorre porque, devido às forças de atração e repulsão entre cargas elétricas, é natural que todos os corpos busquem o estado de eletrização de menor energia possível. Quando um corpo está eletricamente neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons em seus átomos, portanto, sua carga elétrica é nula. Se o corpo sofre um processo de eletrização, ele fica positivamente (cedeu elétrons) ou negativamente eletrizado. Íons Íons são átomos que perderam ou ganharam elétrons. Átomos carregados positivamente são chamados de cátions, enquanto os átomos que recebem elétrons, e tornam-se negativos, são chamados de ânions. Carga elétrica de elementos Podemos determinar a carga elétrica do núcleo atômico de um determinado elemento químico, como o hélio, hidrogênio, entre outros. Para isso, utilizamos o seu número atômico (Z), calculando-se: Q = Z. e. Princípio de conservação da carga Uma das leis de conservação da natureza é: “Carga elétrica não se cria, não se perde, apenas se transfere”.
Num sistema eletricamente isolado, ou seja, onde não há trocas de cargas com o meio exterior, a soma algébrica das cargas elétricas é constante. Isso quer dizer que sempre que algo for eletrizado, nenhum elétron será criado ou destruído. Os elétrons são simplesmente transferidos de um material para outro. E a carga se conserva. Lei de Coulomb Objetos carregados eletricamente interagem entre si exercendo forças, de atração ou repulsão, uns sobre os outros. A Lei de Coulomb estabelece a força eletrostática entre duas cargas eletricamente carregadas. Ela é dada por: Consideremos dois corpos eletrizados (com cargas Q1 e Q2) e separados por uma distância r. Como os corpos estão eletrizados, há uma interação elétrica (força F) entre eles. A intensidade de F diminui à medida que aumentarmos a distância de separação r. A direção de F é a direção da reta que une os corpos. Com relação ao sentido de F, temos: ● Se os corpos forem eletrizados com cargas elétricas de mesma natureza (mesmo sinal), a força elétrica será de repulsão; ● Se forem eletrizados com cargas elétricas de sinais contrários, a força elétrica será de atração.
Curiosamente, em 1848, o físico holandês Casimir apresentou a hipótese de que se duas placas metálicas paralelas descarregadas, eletricamente neutras, estão sujeitas a uma força de atração, tendendo aproximá-las. Essa força apenas pode ser quantificada ou mesurada quando a distância entre as duas placas é muito pequena da ordem de micrometros. Esse efeito foi comprovado experimentalmente em 1997. O fenômeno de atração entre placas paralelas descarregadas, ou efeito Casimir, não pode ser explicado pela Lei de Coulomb. Por outro lado, vem sendo compreendido por meio de conceitos construídos a partir da Mecânica Quântica, por exemplo, o vácuo quântico.
PRINCÍPIO DE HUYGENS
O Princípio de Huygens afirma que cada ponto de uma frente de onda se comporta como uma nova fonte de ondas elementares e progressivas. A linha ou a superfície que tangencia todas as ondas elementares produzidas correspondem à frente de onda em um instante posterior. Assim como Newton formulou os princípios da Mecânica, coube a Christian Huygens sistematizar as leis de propagação da ondulatória. Na Física Moderna, a Mecânica das Partículas e a Mecânica Ondulatória estão sempre presentes. Alguns fenômenos só são entendidos e explicados pela ondulatória; outros, exclusivamente pela Mecânica das Partículas; e há ainda outros, comumente vistos em Física Nuclear, em que tanto a Mecânica como a ondulatória contribuem para o seu entendimento. Ondas periódicas e dimensões da onda Chama-se pulso a onda que corresponde a uma perturbação simples. Uma sucessão de pulsos iguais produz uma onda periódica. Nas propagações unidimensionais, as ondas se deslocam sobre uma linha (as ondas em uma corda, por exemplo).
Nas propagações bidimensionais, as ondas são produzidas em uma superfície, como as ondas nas superfícies de líquidos. Nas propagações tridimensionais, as ondas se propagam em todas as direções, por exemplo a propagação do som no ar. Frente da onda Em meios bi ou tridimensionais, as perturbações oriundas de uma fonte se propagam em todas as direções. Para entender o princípio de Huygens, devemos inicialmente compreender o que significa frente da onda. Suponha que você tirasse uma fotografia das ondulações que se espalham em um lago. Se você marcasse o local das cristas nas fotos, sua imagem seria parecida com a figura abaixo:
No exemplo acima, os pontos em concordância de fase são: A e D, C e B, E e F. No caso de uma fonte puntiforme, emitindo num meio bidimensional, as linhas de onda são circunferências concêntricas, tendo por centro a fonte emissora. Tais ondas são ditas ondas circulares. Caso a fonte puntiforme emita num meio tridimensional, as superfícies de onda serão esferas concêntricas, sendo a fonte o centro comum. Tais ondas são denominadas ondas esféricas. Embora as frentes de onda sejam círculos, você dificilmente notaria a curvatura se observasse uma pequena secção da frente da onda a uma distância muito grande da fonte. As frentes de onda pareceriam linhas paralelas, espaçadas por um comprimento de onda que se propaga com velocidade v. Um bom exemplo é o de uma onda oceânica a centenas ou milhares de quilômetros da costa. Quando as ondas à praia onde você está se bronzeando, as cristas parecem linhas retas.
PRINCÍPIO DE HUYGENS-FRESNEL
Este princípio diz que cada ponto de um meio atingido por uma perturbação periódica torna-se, por sua vez, uma nova fonte de perturbação periódica. O princípio pode ser enunciado da seguinte maneira: “Se uma perturbação periódica se propaga num meio qualquer, e se S é a frente de onda da perturbação, correspondente a um instante t qualquer, cada ponto de S torna-se um foco emissor secundário de ondas elementares, independentes entre si e de frequências iguais à da fonte. A nova frequência de onda S’ correspondente ao instante t + Δt é a envolvente de todas as frentes de ondas elementares emitidas pelos pontos de S e desenvolvidas durante o intervalo de tempo Δt”. Quando observamos a uma distância grande da fonte, como dito anteriormente, temos: Portanto, teremos ondas circulares no caso de um meio bidimensional e ondas esféricas no caso de um meio tridimensional.
