Física Eletromagnética I - Atividades
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Física Eletromagnética I - Atividades 1) Quais são as propriedades das cargas elétricas? O princípio da conservação da carga elétrica diz que a carga elétrica total de um sistema eletricamente isolado é constante. O sinal (+) é usado quando o corpo apresenta falta de elétrons e o sinal (-) quando apresenta excesso de elétrons. Assim, podemos ver que a eletrização de um corpo é obtida pelo acréscimo ou pela retirada de elétrons. Existem dois tipos de carga elétrica, que apresentam comportamentos opostos: uma definida como negativa e outra como positiva. Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais diferentes se atraem. Em todo átomo, o número de elétrons é igual ao número de prótons, ou seja, todo átomo é eletricamente neutro. Quantização da carga. 2) Benjamin Franklin realizou diversos experimentos sobre eletricidade. Uma das conclusões que ele chegou é que a carga elétrica sempre se conserva. O que isso quer dizer e quais implicações dessa verificação? Quer dizer que o que flui são os elétrons e que elétrons não se criam e nem são criados. Eles apenas são transferidos/passados de um corpo para outro, mas a quantidade total de elétrons permanece constante. 3) O conhecimento de como a matéria se organiza e da estrutura atômica permitiu um grande avanço nos estudos sobre eletricidade. Explique como isso alterou o entendimento da eletricidade estática e use exemplos para justificar sua resposta. 4) Utilizando o simulador John Travoltage!, responda: 4.1) Interaja com a simulação e descreva o que ocorre? Ao atritar a perna John recebe elétrons e fica carregado negativamente, ao aproximar o dedo da maçaneta transfere elétrons para a maçaneta e volta a estar neutro. 4.2) O que são as bolas que se movimentam simulação? As bolas azuis representam elétrons que fluem em função do movimento da perna que ao atritar transfere elétrons e ao aproximar o dedo na maçaneta (metal) da porta acontece a descarga elétrica e o John volta a neutralidade elétrica. 4.3) Explique o comportamento que ocorre com as cargas no corpo de John antes de mover o braço em direção ao trinco da porta? O corpo de John fica carregado negativamente em função da transferência de elétron para ele ao atritar a perna. Ele passa a ter mais elétrons que prótons e a tendência é de perder elétrons para voltar ao equilíbrio, elétrons = prótons. 4.4) O que ocorre quando John move o braço em direção a porta? Acontece uma descarga elétrica por ele estar com excesso de elétrons e a tendência é voltar ao equilíbrio. Os elétrons excedentes que estão acumulados nele passam para a maçaneta, que é de metal, bom condutor de eletricidade. 4.5) Porque você obtém um raio quando John leva o braço até o trinco? Porque John está carregado negativamente (elétrons) e isso gerou uma ddp. Como a tendência é o equilíbrio, ao se aproximar da maçaneta os elétrons em excesso saltaram para a maçaneta retornando sistema ao equilíbrio (estável). 5) Agora que você respondeu o exercício anterior, explique o que ocorre em uma c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 1 Física Eletromagnética I - Atividades tempestade de raios, isto é, como se originam os relâmpagos. Os relâmpagos se originam da diferença de potencial gerada pelo atrito das nuvens no ar, as eletrizando grandemente. E, ao se aproximarem de corpos estáveis e/ou carregados positivamente existe uma descarga elétrica, transferindo elétrons excedentes das nuvens, geralmente, para objetos ou seres em terra. Durante a formação de uma tempestade, verifica-se que ocorre no aparecimento de cargas elétricas, ficando as nuvens mais baixas eletrizadas negativamente, enquanto as mais altas adquirem cargas positivas. Quando isto acontece, o ar torna-se condutor de uma enorme centelha elétrica (relâmpago) salta de uma nuvem para outra ou de uma nuvem para a terra. Esta descarga elétrica aquece o ar, provocando uma expansão que se propaga em forma de uma onda sonora, originando o trovão. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABeEoAI/fisica-comportamento-condutor-eletrizado. 6) Porque um corpo eletricamente neutro é atraído por outro corpo eletrizado? Porque um corpo neutro possui também cargas positivas e o corpo eletrizado negativamente possui mais cargas negativas e cargas opostas se atraem. 7) Assista ao vídeo abaixo e responda o que está acontecendo e porque o balão está "preso" ao gato. Está acontecendo que elétrons do gato passaram para o balão e o balão ficou eletrizado enquanto o gato ficou com mais cargas positivas que negativa e como cargas opostas se atraem o balão fica preso ao gato. 8) O que é indução eletrostática? Chama-se indução eletrostática o fenômeno caracterizado pela mudança no posicionamento das cargas elétricas ou na orientação dos dipolos elétricos de um corpo, ocasionadas pela presença de um campo elétrico nas proximidades do respectivo corpo. 9) Explique como ocorre a eletrização por indução. Consideremos dois corpos, sendo que um deles possui carga elétrica líquida igual a zero. A este, chamaremos induzido. O segundo corpo possui carga elétrica líquida diferente de zero, e será denominado indutor. Caso este corpo seja um dielétrico, ou seja, mal condutor de eletricidade, também denominado isolante, o máximo que pode acontecer é uma reorientação dos dipolos elétricos. Porém, não há um deslocamento de cargas ao longo da rede de átomos deste referido corpo. 10) Explique como ocorre a polarização de um isolante? A polarização dielétrica é o fenômeno de deslocamento reversível das núvens eletrônicas nos átomos ou moléculas de um material isolante (seja um sólido, líquido ou gás) à exposição de um campo elétrico externo, no qual as nuvens eletrônicas (de carga negativa) são puxadas contra o campo elétrico e os núcleos (de carga positiva) são empurrados na direção deste por forças elétricas. No regime de campo elétrico externo forte, isto é, grande em comparação à energia de ligação do átomo ou molécula, é possível gerar ionização, e nesse caso a deformação passa a ser irreversível. 11) Explique o que é a constante dielétrica de um meio? Os dielétricos também possuem sua representação matemática: é a constante dielétrica (ε), também conhecida como constante de permissividade no vácuo que, se trata de uma grandeza física cujo valor é igual a um. A constante dielétrica (ε) é a propriedade responsável pela descrição do comportamento dielétrico e, por isso, é possível explicar o aumento da capacidade de um capacitor (condensador) e também o índice de refração de materiais transparentes. 12) Use um modelo microscópico para explicar a constante dielétrica de um meio? c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 2 Física Eletromagnética I - Atividades 13) Uma carga puntual positiva q1 = 0,23 μC é colocada a uma distância r= 3,0 cm de outra carga também puntual, porém negativa q2 = - 0,60 μC. q1.q2 F = K0 ─── r2 13.1) Supondo que q1 e q2 estejam no ar, calcule a o valor da força F1 que q2 exerce sobre q1: Ar K0 = 1 (ar) F1= 8,85 x 10-12. [(2,3 x 10-7 x 6,0 x 10-7)/ 32] = 4,071 x 10-28N.m2/C2 13.2) O valor da força F2 que q1 exerce sobre q2 é maior, menor ou igual ao valor de F1: Benzeno C6H6 – K0 = 2.3 Igual. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Solvente 13.3) Se as cargas q1 e q2 estivessem mergulhadas em benzeno, qual seria o módulo da força de atração entre elas? Benzeno C6H6 – K0 = 2.3 Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Solvente 14) Uma pessoa verifica que em um determinado ponto (P) do espaço, próximo a um corpo eletrizado, existe um campo elétrico. A pessoa resolve: 14.1) Medir a intensidade do campo no ponto P, colocando ali uma carga elétrica q = 2,0 x 10⁻⁷ C, verificando que sobre a carga atua uma força de 5,0 x 10⁻² N. Qual é a intensidade do campo no ponto P? E=5,0 x 10-2/ 2,0 x 10-7= 2,5 x 105. 14.2) Retirar a carga q colocando em P uma carga positiva q = 3,0 x 10⁻⁷ C. Qual será o módulo da força e o sentido do movimento que a carga irá adquirir? 14.3 Colocar uma carga q do mesmo valor anterior, porém negativa. Qual será o módulo da força e o sentido do movimento que a carga irá adquirir? 14.4) Se as cargas q1 e q2 estivessem mergulhadas em benzeno, qual seria o módulo da força de atração entre elas? 15) Uma carga elétrica pontual também pode gerar um campo elétrico. O que ocorre neste caso? DICA: Mostre as equações deste fenômeno, e tente explicá-lo. É interessante mostrar a relação do campo elétrico com a carga e com o raio. Utilize gráficos! Eles ajudam a visualizar o fenômeno? Campo elétrico produzido por cargas pontuais A equação para o módulo do campo produzido por uma carga pontual pode ser escrita de forma c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 3 Física Eletromagnética I - Atividades vetorial.3 Se a carga Q estiver na origem, o resultado obtido é: Campos produzidos por duas cargas de 4 nC e 9 nC em alguns pontos (lado esquerdo) e o campo resultante nesses pontos (lado direito) sendo r a distância até a origem, e o vetor unitário que aponta na direção radial, afastando-se da carga. Se a carga for negativa, a equação anterior continua válida, dando um vetor que aponta no sentido oposto de (campo atrativo). O vetor unitário calcula-se dividindo o vetor posição Se a carga não estiver na origem mas numa posição pelo seu módulo, r. a equação acima pode ser generalizada 3 facilmente, dando o resultado : O campo produzido por um sistema de cargas pontuais obtém-se somando vetorialmente os campos produzidos por cada uma das cargas. Por exemplo o lado esquerdo na figura acima à direita mostra os campos produzidos por duas cargas pontuais de 4 nC e 9 nC em alguns pontos. O lado direito mostra o campo resultante, obtido somando vetorialmente os dois campos. A equação anterior pode ser generalizada para um sistema de n cargas pontuais. Vamos escrever a equação explicitamente, em função das coordenadas cartesianas no plano xy (a generalização para o espaço xyz será evidente). Se as cargas estiverem nos pontos , o resultado é: 16) Como se comporta um campo eletrostático no interior e na superfície de um condutor? Propriedades do condutor em equilíbrio eletrostático Vejamos agora as propriedades do condutor que está em equilíbrio eletrostático: 1° Propriedade: Quando as cargas elétricas estiverem em excesso de um condutor que está em equilíbrio eletrostático, elas não irão se localizar em seu interior, mais sim se distribuir pela sua superfície externa. c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 4 Física Eletromagnética I - Atividades Vejamos um exemplo: Considerando um condutor eletrizado e em equilíbrio eletrostático, podemos dizer que ele pode possuir um excesso ou a falta de elétrons. Porém quando falamos dessas cargas, devemos saber que elas estão em excesso e com o mesmo sinal, por isso elas acabam se repelindo, porém a tendência é delas se afastarem umas das outras. Vejamos: 2 ° Propriedade: Quando falamos de um campo elétrico no ponto interno de um condutor eletrostático em equilíbrio, devemos saber que ele nestas condições será sempre nulo. Vejamos: 3° Propriedade: Quando falamos de um potencial elétrico que está em todos os pontos internos e da superfície de certo condutor que está em equilíbrio eletrostático, será sempre constante. O fator que causa os movimentos ordenados de cargas elétricas entre dois pontos que se localizam no interior de um condutor é simplesmente a diferença de potencial que existe entre eles. É importante sabermos que nos condutores que estão em equilíbrio eletrostático, nunca irá existir um movimento ordenado das cargas elétricas, porém pode existir uma d.d. p entre dois pontos do condutor. Portanto o potencial entre os dois pontos será igual. Vejamos: Com base na figura acima, podemos concluir que: VA – VB = 0 → VA = VB = V int VC – VD = 0 →VC = VD = Vsup VA – VD = 0 →VA = VD → Vint = Vsup Notas: • Quando um corpo condutor for neutro e estiver separado dos outros corpos, o potencial de seus pontos irá ser nulo. • Quando um corpo condutor for eletrizado e estiver separado dos outros corpos, o potencial de seus pontos irá ser constante e diferente de zero. 4° Propriedade: Um campo elétrico, quando estiver em um condutor eletrizado em equilíbrio eletrostático, terá uma direção perpendicular a sua superfície. Quando as cargas elétricas estiverem em excesso de um condutor isolado, e em equilíbrio eletrostático, elas irão permanecer em um repouso relativo, fazendo com que a força resultante que estão sobre as cargas seja repulsiva, não apresentando um componente tangencial, pelo fato das cargas não estarem em repouso. Devemos considerar a superfície externa como equipotencial, portanto, o campo elétrico, será perpendicular c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 5 Física Eletromagnética I - Atividades a ela. Vejamos: Fonte: http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/condutor-em-equilibrio-eletrostatico/propriedades-do-condutorem-equilibrio-eletrostatico.html#ixzz3KyIhltga 17) O que é uma blindagem eletrostática? É quando um campo elétrico estiver no interior de certo condutor, ele será sempre nulo, sendo oco ou maciço. Considerando um condutor oco e metálico e eletrizado, devemos saber que todas as cargas elétricas têm por fim se localizar rapidamente na sua superfície externa, se espalhando de modo que com isso o campo elétrico se torne nulo, nos pontos do interior do condutor. Com base nos dizeres cima, podemos firmar que toda cavidade no interior de certo condutor, é uma região, onde não será atingida pelos efeitos elétricos, que são produzidos internamente, portanto podemos concluir que em dias chuvosos, uma pessoa que estiver dentro de um carro, por exemplo, estará protegida dos raios. Fonte: http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/condutor-em-equilibrio-eletrostatico/blindagemeletrostatica.html#ixzz3KyHSZLkk 18) O que é um dielétrico? Explique: Ao contrário dos condutores, existem substâncias em que os elétrons estão fortemente ligados ou em que o número de elétrons livres é pequeno. Neste caso, a carga elétrica não se desloca através dos materiais, o que os torna isolantes elétricos ou dielétricos. Exemplos típicos é a porcelana, polímeros (plásticos), madeira, entre outros. 19) Explique o que é a Lei de Coulomb? A Lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Foi formulada e publicada pela primeira vez em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb e foi essencial para o desenvolvimento do estudo da Eletricidade.1 Esta lei estabelece que o módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva dependendo do sinal das cargas. É atrativa se as cargas tiverem sinais opostos. É repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal.2 3 c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 6 Física Eletromagnética I - Atividades Diagrama que descreve o mecanismo básico da lei de Coulomb. As cargas iguais se repelem e as cargas opostas se atraem Após detalhadas medidas, utilizando uma balança de torção, Coulomb concluiu que esta força é completamente descrita pela seguinte equação:1 , em que: é a força, em Newtons (N); C2 N−1 m−2 (ou F m−1) é a constante elétrica, r é a distância entre as duas cargas pontuais, em metros (m) e q1 e q2, os respectivos valores das cargas, em Coulombs (C). é o vetor que indica a direção em que aponta a força eléctrica.1 Por vezes substitui-se o fator por k, a constante de Coulomb, com k N·m²/C². Assim, a força elétrica, fica expressa na forma: , A notação anterior é uma notação vectorial compacta, onde não é especificado qualquer sistema de coordenadas. Se a carga 1 estiver na origem e a carga 2 no ponto com coordenadas cartesianas (x,y,z) a força de Coulomb toma a forma: , Como a carga de um Coulomb (1 C) é muito grande, costuma-se usar submúltiplos dessa unidade. Assim, temos: 1 milicoulomb = 1 microcoulomb = c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 7 Física Eletromagnética I - Atividades 1 nanocoulomb = 1 picocoulomb = 20) O que é o “poder das pontas” na eletricidade? Cite algum uso no cotidiano dessa característica. Na proximidade dos corpos existem sempre no ar átomos e moléculas ionizadas. Havendo grande concentração de cargas elétricas numa ponta (zona pontiaguda) dum corpo, haverá atração para a ponta dos íons de sinal contrário às cargas na ponta e repulsão dos íons com o mesmo sinal. Os íons que são atraídos provocam a descarga da ponta. Por sua vez, os movimentos de partículas junto da ponta originam novas ionizações no ar e o fenômeno de descarga da ponta aumenta. Um para-raios nem atrai nem repele os raios. Ele também não descarrega a nuvem como pensava Benjamin Franklin. Ele simplesmente oferece ao raio um caminho fácil até o solo que é ao mesmo tempo seguro para nós e para o que pretendemos proteger. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABeEoAI/fisica-comportamento-condutor-eletrizado. 21) Em meio a uma tempestade de raios, você se encontra em um campo aberto. Os locais, em ordem de proximidade a você são os seguintes: um morro; uma árvore alta isolada; um carro; um aglomerado de pequenas casas. Faça uma lista com estes locais, (incluindo o campo aberto) indo do local menos seguro até o mais seguro? - Um morro; - Árvore alta isolada; - Aglomerado de casas; - Campo aberto; - Um carro. 22) Em um condutor em equilíbrio estático o campo elétrico se comporta de que forma? O que ocorre no seu interior? Se um condutor eletrizado estiver em equilíbrio eletrostático, o campo elétrico será nulo em todos os pontos do seu interior, e em pontos da superfície desde que o condutor E será perpendicular a ela. A distribuição destas cargas deve ser tal que tornem nulo o campo elétrico em qualquer ponto do seu interior. Como sabemos, o campo elétrico no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático é nulo. Uma aplicação pratica dessa propriedade é a Blindagem Eletrostática, que é um dispositivo empregado na proteção de aparelhos contra as influências elétricas. Constitui-se, basicamente, numa capa ou rede metálica que envolve o aparelho que se quer isolar. A blindagem eletrostática mostra que uma pessoa dentro de um carro atingido por um raio nada sofrerá, pois a estrutura metálica do carro isola o seu interior das influencias elétricas externas. 23) Uma vez que você conhece o que ocorre com um condutor em equilíbrio estático o que ocorre quando dielétrico é atritado? O que ocorre com as cargas? Porque isso ocorre? c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 8 Física Eletromagnética I - Atividades 24) Em nossas casas possuímos tensões 110 V e/ou 220 V. Explique o conceito de tensão (voltagem) de acordo com a tensão da sua casa, usando o conceito de diferença de potencial. Tensão elétrica Tensão elétrica é a quantidade de energia gerada para mover uma carga elétrica. Um gerador fornece uma energia aos elétrons que pode ser usada de diversos modos, para acender uma lâmpada incandescente, esquentar água através dos chuveiros elétricos, aquecer o ferro elétrico etc. Os geradores mais conhecidos e mais comuns são as usinas hidrelétricas, pilhas e baterias. Vários eletrodomésticos vêm com a informação da corrente elétrica e da tensão elétrica a que ele pode ser ligado. O valor da tensão pode mudar de Estado para Estado. Mas de fato, o que é tensão elétrica? A tensão elétrica U que se dá entre os polos de um gerador é definida como sendo: Os elétrons que estão no interior do gerador recebem certa quantidade de energia. Boa parte da energia que recebem é perdida dentro do próprio gerador, assim, ao saírem dele o elétron possui energia um pouco menor do que a que recebeu. Partindo desse princípio é que definimos a tensão elétrica U. Embora seja muito parecida com a definição de força eletromotriz, há uma diferença básica, pois a f.e.m. nos indica qual é a energia total que cada unidade de carga recebeu, enquanto que a tensão informa com qual energia saiu a carga. Em se tratando dos geradores reais, a tensão é menor do que a f.e.m, ou seja, U < E. Usualmente dizemos que o gerador é ideal, assim dizemos que não ocorre perda interna de energia, portanto: U = E (gerador ideal) Podemos encontrar alguns livros que denominem a tensão elétrica como sendo a diferença de potencial, e a unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades é o volt (mesma unidade da força eletromotriz), e sua abreviação é dada da seguinte maneira: ddp. Geralmente encontramos as informações sobre a tensão nas tomadas residenciais com um valor médio de 110 volts, mas encontramos também tomadas que indicam a tensão de 220 volts. A maioria dos chuveiros elétricos usa tensão de 220 V. c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 9 Física Eletromagnética I - Atividades 25) Uma carga q executa uma trajetória de um ponto A para um ponto B. Outra carga p, idêntica a carga q, também vai de A para B executando uma trajetória diferente. Uma vez que as trajetórias são diferentes, o trabalho realizado pelas cargas é igual ou diferente? 26) Quando uma carga positiva é abandonada em um campo elétrico, como ela tende a se deslocar, em relação ao potencial elétrico? E se a carga for negativa? 27) Deduza a equação que representa a tensão elétrica entre duas placas paralelas (campo elétrico uniforme). 28) O que é uma superfície equipotencial? É uma superfície com o mesmo potencial elétrico em todas as partes da mesma. 29) Existem superfícies equipotenciais em um campo uniforme? Explique e mostre a equação que explica isso. 30) Se um condutor se encontra em equilíbrio eletrostático o que ocorre com os pontos que se encontram próximo a sua superfície, com relação ao seu potencial? 31) O que é uma corrente elétrica? Denominamos corrente elétrica a todo movimento ordenado de partículas eletrizadas. Para que esses movimentos ocorram é necessário haver tais partículas − íons ou elétrons − livres no interior dos corpos. Corpos que possuem partículas eletrizadas livres em quantidades razoáveis são denominados condutores, pois essa característica permite estabelecer corrente elétrica em seu interior. Nos metais existe grande quantidade de elétrons livres, em movimento desordenado. Quando se cria, de alguma maneira, um ( ) no interior de um corpo metálico, esses movimentos passam a ser ordenados no sentido oposto ao do vetor campo elétrico ( ), constituindo a corrente elétrica. Nas soluções eletrolíticas existe grande quantidade de cátions e ânions livres, em movimento é desordenado. Quando se cria, de alguma maneira, um campo elétrico ( ) no interior de uma solução eletrolítica, esses movimentos passam a ser ordenados: o movimento dos cátions, no sentido do vetor campo elétrico ( ), e o dos ânions, no sentido oposto. Essa ordenação constitui a corrente elétrica. Nos gases ionizados existe grande quantidade de cátions e elétrons livres, em movimento desordenado. Quando se cria, de alguma maneira, um campo elétrico ( ) no interior de um gás ionizado, esses movimentos passam a ser ordenados: o movimento dos cátions, no sentido do vetor campo elétrico ( ), e o dos elétrons, no sentido oposto. Essa ordenação constitui a corrente elétrica. Com a finalidade de facilitar o estudo das leis que regem os fenômenos ligados às correntes elétricas, c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 10 Física Eletromagnética I - Atividades costumamos adotar um sentido convencional para a , coincidente com o sentido do vetor campo elétrico ( ) que a produziu. Consequentemente, esse sentido será o mesmo do movimento das partículas eletrizadas positivamente e oposto ao das partículas eletrizadas negativamente. 32) Defina matematicamente a intensidade da corrente elétrica? A intensidade da corrente é dada pela quantidade de carga elétrica por unidade de tempo. Então temos: i = Q/∆t Unidades no Sistema Internacional de Unidades (SI): Q = carga elétrica > Coulomb (C) Delta t = intervalo de tempo > segundo (s) i = intensidade de corrente elétrica > Coulomb por segundo (C/s) = Ampere (A). 33) Explique a diferença entre corrente contínua e corrente alternada? Diferença entre corrente contínua e corrente alternada AC e DC As abreviações AC e DC são usadas para designar dois tipos diferentes de corrente elétrica, a corrente contínua e a corrente alternada. Nesse artigo iremos explicar a diferença e característica de ambos tipos de corrente. A corrente continua DC A Corrente contínua CC ou DC (do inglês direct current) é o fluxo unidirecional de carga elétrica. A corrente contínua é produzida por fontes tais como baterias, termopares, células solares de energia solar fotovoltaica. A corrente contínua pode fluir de um condutor tal como um fio, mas pode também fluir através de semicondutores, isoladores, ou mesmo por meio de um vácuo. A carga elétrica flui em uma direção constante, distinguindo-a de corrente (AC) alternada. Um termo usado antigamente para a corrente contínua era corrente galvânica. Esse tipo de corrente possui dois polos, o positivo e o negativo, o sentido dos elétrons é definido como partindo do pólo positivo em direção negativo por convenção, porém na realidade ocorre o contrário. A corrente contínua pode ser obtida a partir de uma fonte de corrente alternada através do uso de um arranjo de comutação chamado um retificador, que contém elementos eletrônicos (geralmente) ou elementos eletromecânicos (historicamente) que permitem c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 11 Física Eletromagnética I - Atividades que a corrente flua em uma única direção. A corrente contínua pode ser feita por corrente alternada, com um inversor ou um conjunto motor-gerador. A primeira transmissão de energia elétrica comercial (desenvolvida por Thomas Edison no final do século XIX) usava corrente contínua. Por causa das inúmeras vantagens da corrente alternada sobre a corrente contínua para a transformação, transmissão e distribuição de energia elétrica. Hoje quase toda a distribuição é em corrente alternada. Um circuito de corrente contínua é um circuito elétrico, que consiste de uma combinação de fontes de tensão constante, fontes de corrente constante, e resistores. Neste caso, as tensões e correntes de circuitos são independentes do tempo. A tensão de circuito especial ou corrente não depende de o valor passado de qualquer tensão de circuito ou corrente. Aplicações da corrente contínua Instalações de corrente contínua, normalmente têm diferentes tipos de soquetes, conectores, interruptores e lâmpadas, principalmente devido às baixas voltagens utilizadas. Corrente contínua é comumente encontrada em muitas aplicações extra-baixa tensão e algumas aplicações de baixa tensão, especialmente quando há dispositivos que são alimentados por baterias (como por exemplo dispositivos no interior dos trens), que podem produzem apenas corrente contínua, ou sistemas de energia solar, uma vez que as células solares também produzem apenas DC. A maioria das aplicações automotivas usar corrente contínua, embora o alternador seja um dispositivo de corrente alternada que usa um retificador para produzir corrente contínua. A maioria dos circuitos eletrônicos exigem uma fonte de alimentação DC. Aplicações usando células de combustível (mistura de hidrogênio e oxigênio em conjunto com um catalisador que produz eletricidade e água como subprodutos) também produzem apenas corrente contínua. A grande maioria das aplicações automotivas usam 12 V de alimentação DC; alguns usam um sistema elétrico de 6 volts ou de 42 volts DC. Sistemas elétricos de aeronaves leves são tipicamente 12 V ou 28 V. c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 12 Física Eletromagnética I - Atividades Através do uso de um conversor DC- DC, altas tensões DC , como 48V a 72V DC pode ser reduzidas até 36V , 24V, 18V, 12V ou 5V para fornecer diferentes cargas. Corrente alternada AC Na corrente alternada CA ou AC (do inglês alternating current), o fluxo de carga elétrica inverte periodicamente sua direção. Diferente da corrente contínua onde fluxo de carga elétrica possui uma direção contínua. AC é a forma em que a energia elétrica é entregue a empresas e residências. A forma de onda normal de um circuito de alimentação AC é uma onda senoidal. Em determinadas aplicações, diferentes formas de onda são usadas, tais como ondas triangulares ou quadradas. Os sinais de áudio e de rádio transportados em fios elétricos também são exemplos de corrente alternada. Nestas aplicações, uma meta importante é muitas vezes a recuperação de informação codificada (ou modulada) para o sinal de corrente alternada. Na corrente alternada há ciclos em que o sentido da corrente muda periodicamente, quantas vezes isso ocorre em determinado período de tempo é denominado frequência e é medido em Hertz. Na corrente alternada não há pólos, pois a corrente não flui de maneira uniforme e sim alternando seu sentido. No lugar de pólos há fases e em instalações residências o papel de fechar o circuito é feito pelo condutor neutro. Diferença entre corrente contínua e corrente alternada Em resumo podemos dizer que as diferenças básicas entre os dois tipos de corrente elétrica são: Corrente contínua possui sentido único em cada um dos condutores formando pólos positivo e negativo, já na corrente alternada o sentido se inverte constante e periodicamente, na corrente alternada há fases. Para transmissão e distribuição de energia elétrica, corrente alternada é muito mais eficiente, pois a tensão pode ser aumentada por meio de transformadores nas empresas de energia e a perda de potencial é pequena ao longo do percurso. Já a corrente contínua é menos eficiente, para transmissão à longas distâncias, de modo que se esse modelo tivesse sido escolhido para a distribuição de energia, seria necessário uma usina de energia a cada três quilômetros. Geralmente, a corrente contínua é menos perigosa do que a corrente alterna. Os efeitos da corrente alternada sobre o corpo dependem de sua frequência. As correntes de baixa frequência, de 50 e 60 Hz, são mais perigosas do que as correntes de alta frequência e entre 3 e 5 vezes mais perigosas do que a corrente contínua da mesma voltagem e intensidade (amperagem). A corrente contínua tem tendência para provocar fortes contrações musculares que, com frequência, afastam a vítima da fonte de energia. A corrente alternada de 60 Hz faz com que os músculos se contraiam tanto a ponto de ficarem paralisados, o que impede que a vítimas soltar o condutor. A guerra das correntes c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 13 Física Eletromagnética I - Atividades No início da utilização da eletricidade nos Estados Unidos, houve muitas controversas sore qual sistema de corrente elétrica utilizar, havendo uma espécie de competição entre o modelo de corrente contínua desenvolvido por Thomas Edison ou o modelo de corrente alternada desenvolvida por Nikola Tesla, e financiada por George Westinghouse. No auge da disputa Edison realizava exibições onde eletrocutava animais publicamente com corrente alternada, chegando até a desenvolver a famosa cadeira elétrica utilizada nas execuções americanas, mesmo sendo contra a pena de morte. A biografia de Edison registra seu arrependimento dessa criação, não obstante os esforços de Edison, Westinghouse conseguiu o triunfo do modelo de corrente alternada que impera até hoje. 34) Explique a diferença entre uma pilha e a bateria? Diferentes tipos de pilhas e baterias Tanto as pilhas quanto as baterias são dispositivos capazes de transformar energia química, que está contida nos materiais que as compõem, em energia elétrica. Por meio de reações espontâneas de oxirredução, em que há transferência de elétrons do material que sofre oxidação para o que sofre redução (ganha elétrons), obtém-se uma corrente elétrica que fica armazenada no dispositivo e que, posteriormente, é transmitida para o equipamento ou aparelho que se pretende ligar. No entanto, a principal diferença entre esses dispositivos reside no fato de que as pilhas, também chamadas de células eletroquímicas, possuem somente dois eletrodos (polos negativo e positivo) e um eletrólito ou ponte salina; enquanto as baterias são formadas por várias pilhas ligadas em paralelo ou em série. Por exemplo, a pilha ácida é formada por um eletrodo negativo ou ânodo — que é basicamente um envoltório de zinco (metal que tem a tendência de doar elétrons) — e por um eletrodo positivo ou cátodo — que é o polo que recebe os elétrons, constituído por uma barra de grafita ou carvão inserida em um tubo poroso que contém carvão esmagado e dióxido de manganês, envolvida por uma pasta úmida, que é o eletrólito, que, por sua vez, é constituído por várias espécies químicas, entre as quais o NH4Cl é o principal. O eletrólito é o meio físico, uma solução que possibilita a condução de carga elétrica no interior da pilha. Abaixo temos um esquema desse tipo de pilha: c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 14 Física Eletromagnética I - Atividades Esquema de pilha ácida por dentro A voltagem das pilhas depende da diferença de potencial entre os eletrodos, ou seja, do grau de espontaneidade com que ocorre a transferência de elétrons de um eletrodo para o outro. Quanto maior for a tendência do ânodo de doar elétrons e do cátodo de receber elétrons, maior será a potência da pilha. Agora falando a respeito das baterias, conforme dito, elas são formadas por várias pilhas ligadas entre si. Quando elas estão ligadas em paralelo, um polo positivo de uma pilha fica ligado ao polo positivo da outra, enquanto o polo negativo está ligado a outro polo negativo. Por outro lado, se as pilhas que formam a bateria estiverem ligadas em série, teremos um polo positivo ligado a um polo negativo e assim sucessivamente. Esquema de formação de baterias ligadas em série e em paralelo Conforme pode ser visto na imagem acima, dependendo da forma em que estão ligadas, as baterias podem fornecer diferentes voltagens e níveis de corrente. Uma pilha comum geralmente possui voltagem igual a 1,5 V, sendo que seis pilhas ligadas em série originam uma bateria de 9 V. Um exemplo é a bateria de chumbo usada nos automóveis. Ela é formada por seis pilhas de 2 V cada, possuindo uma potência de 12 V no total. Ela é formada por várias placas de chumbo, que são os eletrodos negativos (ânodos que oxidam e perdem elétrons). O cátodo ou polo positivo que recebe os elétrons é o dióxido de chumbo. Todas essas placas ficam imersas em uma solução de ácido sulfúrico c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 15 Física Eletromagnética I - Atividades (H2SO4) e são intercaladas e separadas por papelão ou plástico: Imagem de bateria por dentro e das partes que a compõem 35) Mostre a diferença entre a resistência elétrica em um circuito e a resistência em um material, matematicamente? Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades(SI), é medida em ohms.1 Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Os fatores que influenciam na resistência de um dado condutor são: A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento. A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor. A resistência de um condutor depende da resistividade do material de que ele é feito. A resistividade, por sua vez, depende da temperatura na qual o condutor se encontra. Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela Segunda Lei de Ohm ρ é a resistividade elétrica do condutor; R é a resistência elétrica do material; é o comprimento do condutor; A é a área da seção do condutor. c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 16 Física Eletromagnética I - Atividades Essa relação vale apenas para materiais uniformes e isotrópicos, com seções transversais também uniformes. c:\users\valdemar\documents\cesuca\2014-2\61 fisica eletromagnetica\fisica eletromagnetica i - atividades.docx Página 17
