setor 1216 12160509 12160509-SP Aula 35 PROPRIEDADES GERAIS DOS CAMPOS ELÉTRICOS 1. SUPERFÍCIE EQÜIPOTENCIAL Superfície eqüipotencial, em um campo elétrico, é toda superfície em cujos pontos o potencial elétrico é constante. No campo de uma carga pontual Q, as superfícies eqüipotenciais são esféricas e concêntricas, com centro na carga, Q cujo potencial é expresso pela equação Vp = K ⋅ . Os pontos r que possuem mesmo potencial elétrico Vp devem estar à mes- 2. MOVIMENTO ESPONTÂNEO DEVIDO A UMA DIFERENÇA DE POTENCIAL Vimos que uma carga elétrica pontual q, abandonada em repouso num ponto A de→um campo elétrico, fica sujeita a uma força elétrica resultante →F e desloca-se na direção e sentido da força. Nestas condições F realiza trabalho positivo. Sendo B um ponto da trajetória, temos τFA → B 0. elét De τAF → B = q(VA – VB) 0 resultam duas possibilidades: elét ma distância r de Q. • q 0 e ⇒ VA – VB 0 ⇒ VA VB Cargas elétricas positivas abandonadas em repouso num campo elétrico e sujeitas apenas à força elétrica deslocam-se para pontos de menor potencial. linha de força Q VC VB VA • q 0 e ⇒ VA – VB 0 ⇒ VA VB Cargas elétricas negativas abandonadas em repouso num campo elétrico e sujeitas apenas à força elétrica deslocam-se para pontos de maior potencial. 3. POTENCIAL ELÉTRICO AO LONGO DE UMA LINHA DE FORÇA Suponhamos que um operador desloque uma carga q 0 ao longo de uma linha de força de um campo elétrico qualquer, como na figura a seguir, de A até B. A força→ elétrica resultante, que atua em q, tem a direção e o sentido de E em cada ponto, de modo que o trabalho τAF → B da força elétrica resulta positivo. superfície eqüipotencial No campo de uma carga puntiforme, as superfícies eqüipotenciais são esféricas. Note que as linhas de força são perpendiculares às superfícies eqüipotenciais, e isto vale em qualquer campo elétrico. Num campo uniforme, as superfícies eqüipotenciais, por serem perpendiculares às linhas de força, são planos paralelos entre si. Observe: elét linha de força → Felét. B → E VA VB VC VD superfície eqüipotencial q0 VB A VA VA VB: percorrendo uma linha de força o seu sentido, o potencial elétrico ao longo de seus pontos diminui. linha de força De τ FAelét→ B = q(VA – VB) 0, e sendo q 0, vem VA – VB 0 e, portanto, VA VB. A B C Conclusão Quando uma linha de força é percorrida em seu sentido, o potencial elétrico, ao longo de seus pontos, diminui. D Num campo uniforme, as superfícies eqüipotenciais são planas. ALFA-5 ★ 850750509 50 ANGLO VESTIBULARES 2. (FATEC-SP) A unidade V/m (volts/metro) mede: a) a energia potencial elétrica. b) o potencial elétrico. c) a força elétrica. d) o campo elétrico. e) a corrente elétrica. 4. CAMPO ELÉTRICO UNIFORME (LF) V = J = N⋅m m C⋅m C⋅m d SE (VA) 3. (AFA-SP) Em uma região de campo elétrico uniforme de intensidade 2 ⋅ 103 N/C, a diferença de potencial, em volts, entre dois pontos situados sobre uma linha de força do campo elétrico e separados por uma distância de 50cm é: SE (VB) E ⋅ d = VA – VB d) 2,5 ⋅ 10 – 4 e) n.d.a. a) 103 b) 105 c) 4 ⋅ 103 Exercícios 1. (FUVEST-SP) A figura a seguir representa algumas superfícies eqüipotenciais de um campo eletrostático e os valores dos potenciais correspondentes. Ed = U 2 ⋅ 103 ⋅ 50 ⋅ 10 – 2 = U U = 103 V A 4. (FATEC-SP) Considere que, no campo elétrico da figura, uma partícula de massa 10g e carga 1 μC seja abandonada sem velocidade inicial em um ponto A, atingindo o ponto B. 50 V 40 V 30 V 20 V 10 V B + 20 V + 10 V – 10 V 0 – 20 V a) Copie a figura, representando o vetor campo elétrico nos pontos A e B. A B → EA A X (m) 1 → 2,0 EB a) 103 b) 106 c) 10 – 9 b) Qual o trabalho realizado pelo campo para levar uma carga q, de 2 ⋅ 10 –6 C, do ponto A ao ponto B? d) 10 – 6 e) 10 –3 a = F = qE = qU m m dm = q(VA – VB) 10 = 2 × 10 – 6(20 – (– 10)) 10 – 6 ⋅ 40 = = 10 – 3 4 ⋅ 10 ⋅ 10 – 3 = 6 × 10 – 5 J ALFA-5 ★ 850750509 6,0 Considerando desprezíveis os efeitos gravitacionais, podemos afirmar que a aceleração da partícula, em m/s2, será: B τFAelét→ B τFAelét→ B τFAelét→ B 4,0 51 ANGLO VESTIBULARES Tarefa Complementar ORIENTAÇÃO DE ESTUDO • Caderno de Exercícios — Unidade VI Faça o exercício 4, série 4. Tarefa Mínima • Faça o exercício 5, série 4. Aula 36 CORRENTE ELÉTRICA Como cada elétron apresenta a carga elementar e = 1,6 × 10–19C, no intervalo de tempo Δt passa pela secção transversal a carga: |Δq| = ne I. CORRENTE ELÉTRICA Chamaremos de corrente elétrica, a qualquer movimento ordenado de cargas elétricas. II. CONDIÇÕES PARA SE ESTABELECER UMA CORRENTE ELÉTRICA Duas condições devem existir para que se possa estabelecer uma corrente elétrica entre dois pontos. São elas: 1º-) deve haver um percurso fechado entre os dois pontos, ao longo do qual as cargas possam se movimentar. 2º-) deve existir uma ddp entre os dois pontos. Define-se intensidade de corrente i ao quociente: i= |Δq| Δt A unidade de intensidade de corrente é a unidade fundamental do SI, denominando-se ampère (A). Na prática são muito utilizados o miliampère (mA) e o microampère (μA), respectivamente: 1 mA = 10 –3A e 1 μA = 10 –6A U + A – IV. SENTIDO CONVENCIONAL DA CORRENTE B i + Por exemplo, a bateria da figura acima mantém entre os pontos A e B (terminais + e –) uma ddp U. Ligando-se estes pontos por fios de cobre e o filamento de tungstênio da lâmpada, este torna-se incandescente, indicando que se estabeleceu um movimento ordenado de cargas elétricas entre os pontos A e B, isto é, estabeleceu-se uma corrente elétrica. i – III. INTENSIDADE DE CORRENTE Os condutores que oferecem maior interesse para o nosso curso são os metálicos. Consideremos o condutor metálico da figura abaixo percorrido por uma corrente elétrica e admitamos que, no intervalo de tempo Δt, passam n elétrons pela secção transversal sombreada. ALFA-5 ★ 850750509 1. A corrente elétrica através de um fio metálico é constituída pelo movimento de: a) cargas positivas no sentido convencional. b) cargas positivas no sentido oposto ao convencional. c) elétrons livres no sentido oposto ao convencional. d) íons positivos e negativos. e) íons positivos somente. – – MOVIMENTO Exercícios – – MOVIMENTO – 52 ANGLO VESTIBULARES 2. Um pisca-pisca funciona como no circuito abaixo. A roleta R gira a 60 rpm e quando uma ponta de uma haste toca em A, sua outra ponta toca em B, fechando o circuito. Quantas vezes por segundo a lâmpada do pisca-pisca acenderá? ORIENTAÇÃO DE ESTUDO Livro 2 — Unidade I Caderno de Exercícios — Unidade VI Tarefa Mínima A R + B – • • Leia os itens 1 e 2, cap. 5. Leia o item 3 (apenas exercícios resolvidos). • Resolva os exercícios 1, 2, 4 e 5, série 5. Tarefa Complementar • cada volta da roleta: → lâmpada acende 4 vezes A roleta dá 60 = 1 volta/s 60 Resolva os exercícios 3, 6 e 7, série 5. → lâmpada acende 4 × 1 = 4 vezes/s 3. Em um tubo de vidro evacuado contendo gás ionizado movimentam-se, em sentidos opostos, íons positivos com carga elementar e elétrons (figura). Cada secção transversal é atravessada por 1018 elétrons e íons positivos, por segundo. Calcule a corrente elétrica no tubo, dado e = 1,6 × 10 –19 C. + i+ + – 18 –19 i+ = 10 × 1,6 × 10 1 i+ = 0,16 A i– – 18 –19 i– = 10 × 1,6 × 10 1 i– = 0,16 A i = i+ + i– = 0,32 A ALFA-5 ★ 850750509 53 ANGLO VESTIBULARES Aula 37 POTÊNCIA ELÉTRICA Define-se potência associada a uma força como sendo o trabalho realizado por essa força, por unidade de tempo. Isto é: Pmédia = a) Reescreva a instrução, usando corretamente as unidades de medida do SI. b) Calcular a intensidade da corrente elétrica utilizada pelo aparelho. τ→F Δt a) tensão de alimentação: 12 V potência consumida: 180 W Assim, no Sistema Internacional de Unidades a unidade de potência é o watt (W), definido como segue: “Um watt (W) é a potência desenvolvida por uma força que num intervalo de tempo de 1 segundo (s), realiza trabalho de 1 joule (J).” No caso de um circuito elétrico, sendo U a ddp entre os pontos A e B, onde se coloca um aparelho qualquer, se a carga transportada no intervalo de tempo Δt é Δq, o trabalho das forças elétricas vale: b) P = Ui 180 = 12 ⋅ i ∴ i = i = 15 A τFe = Δq ⋅ U. 2. O gráfico da figura mostra a corrente elétrica em um condutor submetido a uma ddp de 5V, em função do tempo. Pede-se: i A 180 12 i(A) B 3 U t(s) 2 Portanto, a potência elétrica desenvolvida será: P= τ Fe Δt ⇒P = ΔqU Δq e lembrando que i = Δt Δt 4 6 a) Qual a carga elétrica que atravessa a secção transversal do condutor entre 0 e 6s? b) Qual o trabalho das forças elétricas nesse intervalo? c) Qual a potência média nesse intervalo? segue-se: P = Ui É usual gravar nos aparelhos elétricos, a potência elétrica e a ddp a que eles devem ser ligados. Assim, um aparelho em que está marcado (60W – 120V), põe em jogo a potência de 60W quando ligado entre dois pontos, no qual a ddp é 120V. a) Δ q =N A = 6 + 2 ⋅ 3 = 12 C 2 b) τ = 12 ⋅ 5 = 60 J Δq Exercícios 1. (UNESP) Um aparelho elétrico para ser ligado no acendedor de cigarros de automóveis, comercializado nas ruas de São Paulo, traz a instrução seguinte. c) P = TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO: 12 W POTÊNCIA CONSUMIDA: 180 V Δt = 60 = 10 W 6 ou P=U⋅i=U⋅ Essa instrução foi escrita por um fabricante com bons conhecimentos práticos, mas descuidado quanto ao significado e uso corretos das unidades do SI (Sistema Internacional), adotado no Brasil. ALFA-5 ★ 850750509 τ U 54 Δq = 5 × 12 = 10 W Δt 6 ANGLO VESTIBULARES Tarefa Complementar ORIENTAÇÃO DE ESTUDO • • Livro 2 — Unidade I Resolva os exercícios 11 e 12, série 5. Resolva o exercício 13, série 5. Caderno de Exercícios — Unidade VI Tarefa Mínima • • • Releia o item 3 (diferença de potencial), cap. 5. Leia o item 4, cap 5. Resolva os exercícios 8, 9 e 10, série 5. Aula 38 1ª- LEI DE OHM I. DEFINIÇÃO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA Seja o condutor da figura a seguir onde se aplica uma ddp U entre seus terminais e se estabelece a corrente elétrica de intensidade i. Define-se resistência elétrica R ao quociente: III. POTÊNCIA ELÉTRICA DISSIPADA Quando se estabelece uma corrente elétrica em um condutor irá ocorrer o choque dos elétrons livres contra os átomos do condutor. Neste choque, os elétrons transferem aos átomos parte da energia elétrica que receberam do gerador, determinando uma elevação da temperatura do condutor. A resistência elétrica desempenha na Eletricidade papel análogo ao atrito na mecânica. Em um resistor, toda a energia que ele recebe é dissipada, isto é, transforma-se em energia térmica. i U R= i U i U No SI a unidade de resistência elétrica denomina-se ohm (símbolo Ω). É muito usado um múltiplo de ohm: o quilo-ohm (kΩ), que vale 1 kΩ = 103 Ω. Notemos que U = Ri e pode-se escrever: Os resistores são representados pelo símbolo da figura acima colocando-se em cima o valor de sua resistência elétrica. Quando a resistência é nula representa-se por uma linha contínua. Conforme já estudamos anteriormente a potência desenvolvida por um bipolo qualquer é dada por: 1 V = 1Ω × 1 A e também 1 V = 1 000 Ω × P = Ui 1 A = 103 Ω × 10 – 3 A 1000 Lembrando que para um resistor U = Ri, a expressão anterior pode ser escrita: P = (Ri) ⋅ i ⇒ 1 V = 1 kΩ × 1 mA P = Ri2 II. 1ª- LEI DE OHM Alguns bipolos, denominados resistores, têm resistência elétrica constante. Isto é: Poderíamos também escrever i = ALFA-5 ★ 850750509 U e a potência seria R ⎛ ⎞ P = U ⋅ ⎜ U ⎟. U U1 U 2 = = = ... = R i i1 i2 Assim, para os resistores, a ddp U é diretamente proporcional à corrente elétrica (i). R ⎝R⎠ 2 P = U (1ª- LEI DE OHM) R 55 ANGLO VESTIBULARES 3. (FUVEST) Um chuveiro elétrico ligado a uma rede de 220V consome 1200 W de potência. a) Qual a intensidade de corrente elétrica utilizada pelo chuveiro? b) Qual a resistência do chuveiro? Exercícios 1. Um fio condutor apresenta resistência elétrica de 10 Ω e a ele é aplicada uma ddp de 15V. Calcule a intensidade de corrente no condutor. a) 150 A d) 15 A b) 0,66 A e) 6,6 A c) 1,5 A a) P = U ⋅ i ∴ 1200 = 220 i i = 120 ∴ i = 5,4 A 22 U=R⋅i 15 = 10 ⋅ i i = 1,5 A b) R = 4. (UNICAMP) Um técnico em eletricidade notou que a lâmpada que ele havia retirado do almoxarifado tinha seus valores nominais (valores impressos no bulbo) um tanto apagados. Pôde ver que a tensão nominal era de 130 V, mas não pôde ler o valor da potência. Ele obteve, então, através de medições em sua oficina, o seguinte gráfico: 2. A tabela abaixo contém os dados de três condutores, em relação a passagem da corrente elétrica. ddp (V) 10 20 30 U = 220 ∴ R ≈ 41 Ω i 5,4 Curva Tensão × Potência para a lâmpada 40 Intensidade de corrente (A) 0,5 1 1,5 2 ddp (V) 15 25 30 40 Intensidade de corrente (A) 3 5 6 8 ddp (V) 5 10 20 30 Intensidade de corrente (A) 1 4 9 16 Potência [W] CONDUTOR 1 CONDUTOR 2 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 Tensão [V] 100 120 140 a) Determine a potência nominal da lâmpada a partir do gráfico acima. b) Calcule a corrente na lâmpada para os valores nominais de potência e tensão. c) Calcule a resistência da lâmpada quando ligada na tensão nominal. CONDUTOR 3 a) Do gráfico: P = 100 W Para qual ou quais deles, é válida a Lei de Ohm? Explique. b) P = Ui ∴ 100 = 130 ⋅ i ∴ i ≈ 0,77 A A Lei de Ohm é válida apenas para os condutores 1 e 2. c) R = Condutor 1 10 = 20 = 30 = 40 (segue!) 0,5 1 1,5 2 U = 130 ≈ 169 Ω i 0,77 ORIENTAÇÃO DE ESTUDO Condutor 2 Livro 2 — Unidade I 15 = 25 = 30 = 40 (segue!) 3 5 6 8 Caderno de Exercícios — Unidade VI Condutor 3 5 10 ≠ 1 4 Tarefa Mínima (não segue!) • • • Leia o item 1 (até potência dissipada em um resistor), cap. 6. Leia o item 2(I a XI), cap. 6. Resolva os exercícios 1, 2 e 7, série 6. Tarefa Complementar • ALFA-5 ★ 850750509 56 Resolva os exercícios 5, 6 e 8, série 6. ANGLO VESTIBULARES Aula 39 2ª- LEI DE OHM b) Obtém-se o aumento da potência do chuveiro com a diminuição da resistência R (P = V 2/R). Pela 2ª- Lei de Ohm, isso é possível com a diminuição do comprimento do resistor. S R= S c) Pela 1ª- Lei de Ohm, a intensidade da corrente elétrica I aumenta. : resistividade do material : comprimento do fio d) Nada; ela depende somente, neste caso, da rede. S: área da secção transversal do fio R: resistência elétrica do fio Unidade de Resistividade S.I. → Ω ⋅ m Prática → 2. Um fio de comprimento e resistência elétrica R é esticado de modo a triplicar o seu comprimento original. Considerando que a resistividade e a densidade absoluta do material não tenham mudado, a resistência elétrica do fio alongado será igual a: a) R b) 2/3 c) 3R d) 6R e) 9R Ω ⋅ mm2 m Exercícios 1. (UNICAMP) A potência P de um chuveiro elétrico ligado a uma rede doméstica de tensão V = 220 V é dada por P = V2/R onde a resistência elétrica R do chuveiro é proporcional ao comprimento do resistor. A tensão V e a corrente elétrica I no chuveiro estão relacionadas pela Lei de Ohm: V = RI. Deseja-se aumentar a potência do chuveiro mudando apenas o comprimento do resistor. a) Ao aumentar a potência, a água ficará mais quente ou mais fria? b) Para aumentar a potência do chuveiro, o que deve ser feito com o comprimento do resistor? c) O que acontece com a intensidade da corrente elétrica I quando a potência do chuveiro aumenta? d) O que acontece com o valor da tensão V quando a potência do chuveiro aumenta? S ⇒ R=ρ S 3 ρ⋅ 3 S =9 ⇒ R’ = ρ ⋅ S 3 S 3 R’ = 9 R a) O aumento da potência do chuveiro ocasiona um aumento na quantidade de energia fornecida à água, por unidade de tempo. Supondo-se que a vazão do chuveiro se mantenha constante, a temperatura da água aumenta. Comentário: • A não-citação da constância da vazão permite ainda que se suponha a ocorrência de: 1) diminuição de temperatura, caso se aumente suficientemente a vazão; 2) manutenção de temperatura para um valor adequado de vazão. ALFA-5 ★ 850750509 57 ANGLO VESTIBULARES 3. (UNICAMP) A invenção da lâmpada incandescente no final do Séc. XIX representou uma evolução significativa na qualidade de vida das pessoas. As lâmpadas incandescentes atuais consistem de um filamento muito fino de tungstênio dentro de um bulbo de vidro preenchido por um gás nobre. O filamento é aquecido pela passagem de corrente elétrica, e o gráfico abaixo apresenta a resistividade do filamento como função de sua temperatura. A relação entre a resistência e a resistividade é dada por R = ρL/A, onde R é a resistência do filamento, L seu comprimento, A a área de sua seção reta e ρ sua resistividade. b) P = ∴ 60 = (120)2 ⇒ R = 240 Ω R c) Cálculo de ρ: R=ρ R ∴ 240 = ρ 50 × 10 –2 –2 2 π (5 × 10 ) × 10 –6 4 ⇒ ρ = 90 ⋅ 10 –8 Ω ⋅ m Do gráfico, a temperatura é: 2 750ºC 120 Resistividade (10–8Ωm) U2 R 100 80 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Temperatura (°C) a) Caso o filamento seja aquecido desde a temperatura ambiente até 2000ºC, sua resistência aumentará ou diminuirá? Qual a razão, R2000/R20, entre as resistências do filamento a 2 000ºC e a 20ºC? Despreze efeitos de dilatação térmica. b) Qual a resistência que uma lâmpada acesa (potência efetiva de 60W) apresenta quando alimentada por uma tensão efetiva de 120 V? c) Qual a temperatura do filamento no item anterior, se o mesmo apresenta um comprimento de 50cm e um diâmetro de 0,05mm? Use a aproximação π = 3. a) Desprezando-se os efeitos da dilatação térmica, aumentando-se a temperatura, aumenta a resistividade (gráfico dado) e, portanto, a resistência elétrica aumenta. ORIENTAÇÃO DE ESTUDO Do gráfico: Livro 2 — Unidade I ρ2000 = 65 × 10 –8 Ω ⋅ m ⇒ ρ20 = 5 × 10 –8 Ω ⋅ m Caderno de Exercícios — Unidade VI ⎛ ⎞ ⎝A ⎠ ρ2000 ⎜ ⎟ ⇒ R2000 = R20 Tarefa Mínima • • • ⎛ ⎞ ρ20 ⎜⎝ A ⎟⎠ R2000 = 13 R20 ALFA-5 ★ 850750509 Leia o item 1(2ª- Lei de Ohm), cap. 6. Leia o item 2(XII a XVI), cap. 6. Resolva os exercícios 9 e 11, série 6. Tarefa Complementar • 58 Resolva os exercícios 10, 12 e 13, série 6. ANGLO VESTIBULARES Aula 40 ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES I. ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE R1 R2 i1 R3 U2 1. (AFA-SP) Doze lâmpadas idênticas, usadas na decoração natalina, associadas em série, são ligadas a uma fonte de tensão igual a 120V. Sabendo-se que a corrente elétrica que passa pelas lâmpadas é 50mA, o valor da resistência de cada lâmpada, em Ω, é a) 100 b) 200 c) 300 d) 400 e) nda. RS i2 U1 Exercícios i3 ⇔ i U3 U U a i1 = i2 = i3 = i U = U1 + U2 + U3 RS = R1 + R2 + R3 R R R i = 50 mA II. ASSOCIAÇÃO EM PARALELO 120 V U 12 R R1 ⇔ i1 i 50 mA Rp R2 120 V i2 i ⇔ R3 U U 120 = 12 R ⋅ 50 ⋅ 10 – 3 i3 R = 200 Ω U = U1 = U2 = U3 i = i 1 + i2 + i 3 1 1 1 1 = + + Rp R1 R2 R3 III. SIMPLIFICAÇÕES PARA AS ASSOCIAÇÕES EM PARALELO — 2 resistores ⇒ Rp = — n resistores iguais ⇒ ALFA-5 ★ 850750509 R1 R 2 R1 + R 2 Rp = R n 59 ANGLO VESTIBULARES 2. (Ibmec) Analise a associação de resistências representada na figura. ORIENTAÇÃO DE ESTUDO 12Ω Livro 2 — Unidade I Caderno de Exercícios — Unidade VI 4Ω 3Ω i = 60 A Tarefa Mínima 6Ω • • • O valor da intensidade de corrente na resistência de 6ohms é: a) 30 A b) 10 A c) 0,5 A d) 3,3 A e) 20 A 12Ω 3Ω 4Ω 3Ω Leia o item 3, cap. 6. Leia o item 4 (I a V), cap. 6. Resolva os exercícios 14 e 15, série 6. Tarefa Complementar • Resolva os exercícios 16 e 20, série 6. 2Ω 60 A i = 60 A ⇔ U i1 6Ω U U = 2 × 60 = 120 V ALFA-5 ★ 850750509 ∴ i1 = 120 = 20 A 6 60 ANGLO VESTIBULARES