01-eletrostática-da introdução até lei de coulomb
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ELETRICIDADE E MAGNETISMO ELETROSTÁTICA ELETRODINÂMICA Prof. Jusciane da Costa e Silva ELETRICIDADE ELETROSTÁTICA ELETRODINÂMICA Cargas Elétricas Campo Elétrico Potencial Elétrico Capacitores Elétricos Sumário INTRODUÇÃO – HISTÓRICA CARGA CONSERVAÇÃO DE CARGAS ELETRIZAÇÃO FORÇA Eletromagnetismo Eletricidade e Magnetismo eram conhecido como fenômenos distintos. Tales de Mileto foi o primeiro a relata que o âmbar (resina fossilizada de árvores) ao ser friccionado adquire a propriedade de atrair objetos leves como, penas e plumas. Magnetita (Fe3O4) atraiam-se ou repeliam-se, dependendo de como se orientavam, e tinham propriedade de sempre atrair o ferro. (a bússola inventada pelos chineses – 3 A.C). Tales de Mileto Eletromagnetismo Hans Oersted, em 1819, passando uma corrente elétrica por um fio metálico, percebeu que a agulha de uma bússola próxima se orientava sempre perpendicular ao fio. Em 1820, André Ampère, demonstrou que dois fios paralelos conduzindo corrente se atraem ou se repelem, dependendo, respectivamente, de se as correntes elétricas têm o mesmo sentido ou sentidos opostos. Concluindo que os fenômenos magnéticos são em geral resultante de corrente elétricas e que ímãs apresentam correntes circularem em seu interior. Hans Oersted Eletromagnetismo No final do século XIX já se tinha uma sistematização dos fenômenos elétricos e magnéticos em uma ciência unificada, o ELETROMAGNETISMO. Nesta ciência todos os fenômenos são decorrentes de uma única entidade, a CARGA ELÉTRICA. Cargas em repouso interagem umas com as outras por meio da força elétrica. Quando elas se movem uma em relação às outras, aparecem outra forma de interação, a força magnética. Tal síntese se concretizou graças ao trabalho de Michael Faraday. James Maxwell James Maxwell sintetizou todas as leis do eletromagnetismo em quatro equações fundamentais. James Maxwell também previu que a luz fosse um fenômeno eletromagnético, que em seguida foi comprovado por Heinrich Hertz. Cargas Elétricas Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa espaço. Cargas Elétricas Analisando a água Cargas Elétricas Molécula – é a menor parte da matéria que ainda conserva suas características. UM ÁTOMO DE OXIGÊNIO E DOIS ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO Cargas Elétricas ÁTOMOS - Esquema simplificado Cargas Elétricas ESCALA DO ÁTOMOS Cargas Elétricas O átomos é composto de: PROTÓNS – Possuem Cargas Positivas. ELÉTRONS – Possuem Cargas Negativas. NEUTRONS – Não Possuem Cargas Elétricas Massas das partículas individuais Prótons Neûtrons Elétrons Massa = 1.67 * 10-27 kg Massa = 1.67 * 10-27 kg Massa = 9.10 * 10-31 Kg Carga positiva Carga neutra Carga negativa A massa do próton é cerca de 1.836 vezes maior que a do elétron. Cargas Elétricas O átomos é NEUTRON N° PROTÓNS = N° ELÉTRONS. Átomo Ionizado POSITIVAMENTE NEGATIVAMENTE N° PROTÓNS >N° ELÉTRONS. N° PROTÓNS <N° ELÉTRONS. Cargas Elétricas A carga elétrica é uma quantidade de eletricidade. É uma grandeza física escalar. E no S.I a unidade de carga elétrica é o Coulomb ( C ). Denominamos carga elementar o módulo da carga de um elétron, e possui o seguinte valor: e = 1,6 . 1019 C A quantidade de carga elétrica em um corpo será sempre igual a um número inteiro de cargas elementares negativas ou positivas, de tal forma que: Q = n.e ( ganho de elétrons ) Q = + n.e ( perda de elétrons ) Cargas Elétricas Princípio da Atração e Repulsão • Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem; • Cargas elétricas de sinais opostos se atraem Princípio da Conservação de Carga • Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das quantidades de cargas positivas e negativas é constante. Cargas Elétricas Princípio da atração e repulsão Cargas iguais se repelem. e- p p p e e Cargas diferentes se atraem. Cargas Elétricas ELEMENTOS NEUTROS OU SEM CARGA, NADA N ACONTECE N Cargas Elétricas CARGAS IGUAIS Cargas Elétricas CARGAS DIFERENTES Cargas Elétricas Princípio da Conservação de Cargas De acordo com o experimento de eletrização realizado por Benjamim Franklin, as cargas se transfere de um corpo para o outro, no entanto a quantidade de carga total sempre é a mesma, ou seja, a carga total se conserva. Próton = (+) Elétron= ( -) “ A soma algébrica de todas as cargas em um sistema isolado nunca se altera.” Cargas Elétricas Eletrização A eletrização de um corpo inicialmente neutro pode ocorrer de três maneiras: - Atrito - Contato - Indução Atrito Na eletrização por atrito, os dois corpos adquirem a mesma quantidade de cargas, porém de sinais contrários. Atrito Exemplo: Durante uma tempestade, a movimentação das gotículas de água vão atritando as nuvens, formando duas seções: uma com cargas elétricas positivas e outra com cargas elétricas negativas. Atrito Série Triboelétrica Contato Os condutores adquirem cargas de mesmo sinal. Se os condutores tiverem mesma forma e mesmas dimensões, a carga final será igual para os dois e dada pela média aritmética das cargas iniciais. Contato Indução A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples aproximação de um outro corpo eletrizado, sem que haja o contato entre eles. No processo da indução eletrostática, o corpo induzido será eletrizado sempre com cargas de sinal contrário ao das cargas do indutor. Indução Condutores e isolantes Condutores elétricos Meios materiais nos quais as cargas elétricas movimentam-se com facilidade. Isolantes elétricos ou dielétricos Meios materiais nos quais as cargas elétricas não têm facilidade de movimentação. Condutores e isolantes O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. Condutores e isolantes Por outro lado temos que materiais como lã, madeira, vidro, papel e isopor são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pois, os elétrons mais externos de seus átomos estão firmemente ligados Condutores Átomos com : Poucos elétrons na última camada. Têm facilidade de perder elétrons. No átomo de um material (considerado condutor), os elétrons da última camada (elétrons livres), ficam trocando constantemente de átomo. Isolantes Átomos com : Muitos elétrons na última camada são isolantes. Tem facilidade de receber elétrons. Condutores e isolantes exemplos: Além ... Semicondutores Condutividade elétrica é intermediária entre os condutores e isolantes. Podemos controlar uma corrente elétrica. Supercondutores Materias que apresentam resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga. Condutores Esféricos Teoremas para cascas esféricas: Uma casca esférica uniformemente carregada atrai ou repele uma partícula carregada exterior à casca como se toda a carga da casca estivesse concentrada em seu centro. Uma casca esférica uniformemente carregada não exerce nenhuma força eletrostática sobre uma partícula carregada que esteja localizada em seu interior. Lei de Coulomb Experimento da balança de Torção Charles Coulomb Lei de Coulomb Coulomb chegou às seguintes conclusões: A força elétrica é diretamente proporcional a cada uma das duas cargas. A força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas. Lei de Coulomb Unidades: A força elétrica é muito mais intensa que a força gravitacional. A força elétrica é cerca de 1039 vezes mais intensa que a força gravitacional. Considerando o r = 5.3*10-11. Lei de Coulomb Mantendo-se a distância entre as cargas e dobrando a quantidade de carga, a força elétrica será multiplicada por 4. Mantendo-se as cargas elétricas e dobrando-se a distância a força elétrica será dividida por 4. Lei de Coulomb Superposição das Forças:
