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1> Força entre Cargas (a) utilizar a Lei de Coulomb para calcular a força entre cargas; (b) utilizar o princípio de conservação da carga para achar nova carga após contato e separação; (c) lembrar que natureza da força é atrativa ou repulsiva.
2> Campo Elétrico (a) saber desenhar o campo elétrico de cargas geradoras;
(b) determinar massa, carga ou campo elétrico em exercícios de equilíbrio de carga (equilíbrio fruto do peso e da força elétrica); (c) saber determinar a direção e sentido do vetor campo elétrico.
3> Princípio de Conservação da Carga => somar cargas e dividir, quando colocadas em contato.
4> Carga em Equilíbrio => saber determinar a posição de equilíbrio de uma terceira carga colocada num sistema de duas cargas geradoras puntiformes.
5> Lei de Ohm (Esta questão não cai para o 3º B e para o 3º C) (a) determinar a resistência elétrica; (b) determinação de corrente e tensão elétrica; (c) distinguir resistores ôhmicos de não ôhmicos; (d) graficar relação V x i.
6> Teoria (a) Processos de Eletrização;
(b) Eletroscópios;
(c) Resistência Elétrica; (Esta questão não cai para o 3º B e para o 3º C) (d) Tensão Elétrica Residencial; (Esta questão não cai para o 3º C)
(e) Analogia Campo Gravitacional e Campo Elétrico;
Num circuito elétrico, os condutores que
atravessados por uma corrente elétrica transformam a energia elétrica em
energia térmica (calor) são chamados de resistores.
Esquematicamente:
RESISTOR
ENERGIA ELÉTRICA => ENERGIA TÉRMICA (CALOR)
Esse fenômeno de transformação é conhecido como Efeito
Joule e é
resultado de choques entre os elétrons que constituem a corrente elétrica e os
átomos, o que ocasiona um aquecimento do condutor. Existem alguns
eletrodomésticos que possuem como função básica a transformação de energia
elétrica em energia térmica, tais como: ferro elétrico, chuveiro elétrico,
aquecedores, etc.
Os resistores podem ser representados das seguintes
maneiras:
Em nosso curso utilizaremos a
primeira forma para sua representação.
2 – Resistência Elétrica
O resistor possui uma característica de dificultar a
passagem de corrente elétrica através do condutor. Essa característica é
chamada de resistência elétrica.
Lei de Ohm
O físico George Simon Ohm verificou, experimentalmente,
no século XIX, que alguns condutores possuíam um comportamento similar.
Ao alterar a tensão para valores V1,
V2, V3, ...,VN, a intensidade de corrente no
condutor também se altera, mas de uma maneira sempre igual.
De tal forma que ao dividirmos as tensões pelas
respectivas intensidades de corrente elétrica, para um mesmo condutor, a
divisão será uma constante, esta constante é a resistência elétrica.
Os condutores que possuem este comportamento são
chamados de condutores ôhmicos.
Graficamente
um condutor ôhmico é representado na figura abaixo, já a figura da direita mostra o
comportamento de algum condutor que não respeita a lei de Ohm. Este condutor é
chamado de não-ôhmico.
Exercício
Um resistor ôhmico é
percorrido por uma corrente elétrica de intensidade 5 A, quando submetido a uma
d.d.p. de 100 V. Determine:
(a) a resistência elétrica do
resistor;
(b) a intensidade de corrente
que percorre o resistor quando submetido a uma d.d.p. de 250 V;
(c) a d.d.p. a que deve ser submetido para que a corrente que o
percorre tenha intensidade de 2 A.
3 – ResistividadE
É importante salientar que o título 2a Lei de Ohm é apenas didático. Na História da Física temos apenas o conhecimento
da Lei de Ohm e não 1a e 2a, mas para fins
de uma melhor organização do conteúdo faremos essa separação.
Um aspecto importante, levantado por Ohm, foi a
descoberta de fatores que influem no valor da resistência elétrica de um
resistor, são eles:
=> a dimensão do resistor (área
e comprimento);
=> o material que constitui
este resistor.
Consideremos um fio condutor de comprimento L e área de seção transversal
A.
Para compreendermos melhor a relação entre
resistência, área e comprimento, podemos fazer uma analogia com tubos de água,
vejamos a figura posterior:
Como
podemos notar na figura 14, a água possui maior facilidade para sair pelo cano
de menor comprimento e maior área, já no cano mais longo existe uma maior
dificuldade para água se locomover e o estreitamento do cano aumenta esta
dificuldade.
No caso da energia elétrica e do condutor o
comportamento é mantido o mesmo:
=> a resistência elétrica é
diretamente proporcional ao comprimento do fio, ou seja, quanto maior o
comprimento do fio maior é a dificuldade de movimentação dos elétrons.
=> A resistência elétrica é
inversamente proporcional ao valor da área da seção transversal do fio, ou
seja, quanto maior a área mais fácil é a movimentação dos elétrons, portanto a
resistência elétrica diminui.
Unidades
no SI:
R => resistência elétrica => Ohm (W)
L => comprimento do fio => metro (m)
A => área da seção transversal => metro quadrado (m2)
r => resistividade => Ohm . metro (W . m)
Exercícios
2> Um fio metálico é
feito de um material cuja resistividade é 0,20 W . mm2/m e tem
seção transversal de área 0,10 mm2. Determine a resistência elétrica
desse fio por metro de comprimento.
3> Um fio metálico é
esticado de modo que seu comprimento triplique. O seu volume não varia no
processo. Como se modifica a resistência elétrica do fio? E a intensidade de
corrente elétrica que percorre para uma mesma d.d.p.?
4> Um reostato de cursor
tem resistência elétrica igual a 20 W, quando o fio que o
constitui tem comprimento igual a 25 cm. Qual a resistência elétrica do
reostato para um comprimento de fio de 2,0 m?
5> A resistência
elétrica de um resistor de fio metálico é de 60 W. Cortando-se um pedaço de 3
m de fio, verifica-se que a resistência do resistor passa a ser 15 W. Calcule o comprimento do fio.
A
partir de agora passaremos a estudar o movimento da carga elétrica. Veremos
desde os Princípios Básicos até como todo processo de produção de energia elétrica
é realizado.
1.2 – Condutores e Isolantes
Condutor elétrico é todo corpo que permite a
movimentação de carga no seu interior. Caso não seja possível essa
movimentação, então o corpo é chamado de isolante elétrico.
A seguir mostramos numa tabela alguns condutores e
alguns isolantes:
Bons Condutores
Bons Isolantes
Fmetais em geral
Fgrafite
Fcerâmica
Fágua
Fvidro
Fcera
Fborracha
Fseda
Os condutores elétricos mais comuns são os metais,
que se caracterizam por possuírem grande quantidade de elétrons-livres, por
exemplo: o alumínio possui 2 elétrons na última camada, já o ferro possui 2 e o
cobre possui 1. Esses elétrons possuem uma ligação fraca com o núcleo, tendo
certa liberdade de movimentação, o que confere condutibilidade aos metais.
Normalmente, o movimento o movimento dos elétrons
livres no metal é caótico e imprevisível. No entanto, em certas condições, esse
movimento torna-se ordenado, constituindo o que chamamos de corrente elétrica.
Importante:Corrente Elétrica é o
movimento ordenado de cargas elétricas.
Embora a corrente elétrica nos metais seja
constituída de elétrons em movimento ordenado, por convenção, tradicionalmente
aceita, admite-se que o sentido da corrente elétrica é oposto ao movimento dos
elétrons.
Portanto de agora em diante iremos utilizar o
sentido convencional, para indicar o sentido da corrente elétrica.
1.3 – Intensidade de Corrente Elétrica
Definimos intensidade de corrente elétrica como
sendo a quantidade de carga que passa numa seção transversal de um condutor
durante um certo intervalo de tempo.
É importante dizer que seção transversal é um corte
feito no fio para medir, como num pedágio, quantos elétrons passa por ali num
intervalo de tempo.
Portanto, podemos escrever que:
Unidades
no SI:
Q ®carga elétrica Þ Coulomb (C)
Dt ® intervalo de tempo Þ segundo (s)
i ® intensidade de corrente elétrica Þ Coulomb por segundo (C/s) = Ampere (A)
Importante:
FFrequentemente utilizamos submúltiplos do Ampere.
1 mA = 10-3
A (miliampere)
1 mA = 10-6
A (microampere)
FQuando a
corrente elétrica mantém sentido invariável ela é denominada corrente contínua (C.C.). Caso o sentido da corrente elétrica se modifique
no decorrer do tempo, ela é denominada corrente
alternada (C.A.)
5.1 – Analogia do campo elétrico com o Campo Gravitacional
Para entendermos o conceito de campo elétrico
façamos uma analogia com o campo gravitacional.
Sabemos que a Terra cria um campo gravitacional
em torno de si e cada ponto desse campo
existe um vetor campo gravitacional g. Assim um corpo colocado num ponto desse
campo fica sujeito a uma força de atração gravitacional chamada Peso.
Com
as cargas elétricas o fenômeno é semelhante, um corpo eletrizado cria em torno
de si um campo elétrico. Cada ponto desse campo é caracterizado por um vetor
campo elétrico E. Qualquer carga colocada num desses pontos ficará submetida a
uma foça elétrica. A grande diferença aqui é que a força poderá ser de atração
ou repulsão.
Para determinarmos o módulo do vetor campo elétrico
podemos recorrer a analogia feita anteriormente com o campo gravitacional.
Sabemos que a aceleração da gravidade local pode ser calculada como sendo a
razão do Peso e da massa de um corpo colocado na região do campo gravitacional.
g = P / m
Portanto o campo elétrico de uma carga de prova q
colocada em um ponto desse mesmo campo será dado pela razão da Força sobre ela
(natureza elétrica) e o valor dessa carga.
Direção
e Sentido:
Direção => É a mesma direção da Força Elétrica.
Sentido => se q > 0, o sentido é o mesmo da força;
Se q < 0, o sentido é o contrário da força.
Unidades
no SI:
q => carga elétrica => Coulomb (C)
F => Força Elétrica => Newton (N)
E => Campo Elétrico => Newton/Coulomb (N/C)
5.2 – Vetor Campo Elétrico
A direção e o sentido do Campo Elétrico depende apenas da carga geradora.
Carga Geradora Positiva possui campo elétrico de afastamento.
Carga Geradora Negativa possui campo elétrico de aproximação.
5.3 – Campo Elétrico gerado por uma carga puntiforme
Consideremos
uma carga puntiforme Q. Colocamos
uma carga de prova q a uma distância
d da carga geradora Q. Imaginando
que as duas cargas são positivas, termos a situação que se segue:
Importante:
Como conseqüência, do
que vimos acima, podemos concluir que o campo elétrico no ponto estudado não
depende da carga de prova e sim da carga que gera o campo
5.4 – Campo Elétrico gerado por Várias cargas puntiformes.
Caso tenhamos mais do que uma carga puntiforme gerando
campo elétrico, como na figura abaixo, o campo elétrico resultante será dado
pela soma vetorial dos vetores campos elétricos produzidos por cada uma das
cargas.
Neste caso o campo resultante no ponto P é a soma vetorial de cada um dos campos elétricos.
5.5 – Campo Elétrico Uniforme.
Um
campo elétrico é chamado uniforme quando o vetor campo elétrico for o mesmo em
todos os pontos desse campo. Este tipo de campo pode ser obtido através da
eletrização de uma superfície plana, infinitamente grande e com uma
distribuição homogênea de cargas.
5.5 – LinHas De Campo (Linhas de Força).
Quando quisermos visualizar
a distribuição de um campo elétrico através do espaço, nós o faremos através do
contorno das suas linhas de força que, por definição, são linhas imaginárias
construídas de tal forma que o vetor campo elétrico seja tangente a elas em
cada ponto. As linhas de força são sempre orientadas no mesmo sentido do campo.
No caso de um campo elétrico
gerado por uma carga puntiforme isolada, as linhas de força serão semi-retas.
Abaixo temos as linhas de campo para cargas positiva e negativa isoladas:
A seguir você tem o aspecto do campo elétrico
resultante, gerado por duas cargas puntiformes iguais e positivas.
Se tivermos uma carga positiva próxima de uma carga negativa:
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