Física 3 : apostila ceesvo - ensino médio, Notas de estudo de Química
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Física 3 : apostila ceesvo - ensino médio, Notas de estudo de Química

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ÓTIMA APOSTILA DE FÍSICA PARA O ENSINO MÉDIO - CEESVO . FÍSICA 3 - 103 PÁGINAS.
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Microsoft Word - apostila 3.doc

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

1

MÓDULO 9 A COR DE UM CORPO

A luz branca, que é a luz emitida pelo Sol, pode ser decomposta em sete

cores principais: luz branca

A cor que um corpo iluminado apresenta é dada pela constituição da luz que ele reflete difusamente. Por exemplo: se um corpo iluminado com luz branca refletir a luz verde e absorver as demais, este corpo terá cor verde; quando iluminado com luz branca, absorvendo-a totalmente, terá cor preta.

Observe os esquemas: Iluminado com luz branca

Quando um corpo verde (sob luz solar) é iluminado com luz vermelha, ele se apresenta preto. Um filtro de luz é utilizado para deixar passar somente a luz de mesma cor que a do filtro. Por exemplo, se o filtro é vermelho ele deixa passar somente a luz vermelha. As outras cores são refletidas ou absorvidas e não conseguem atravessar o filtro.

vermelho alaranjado amarelo verde azul anil violeta

corpo verde — reflete a luz verde corpo vermelho — reflete a luz vermelha corpo branco — reflete todas as cores corpo preto — absorve todas as cores

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

2

ESPELHOS

Toda superfície capaz de refletir a luz pode formar imagens e é chamada espelho.

A ilustração seguinte mostra como a

imagem é formada, graças à reflexão da luz.

Tipos de espelho Usando como critério a forma

da superfície refletora de luz, os espelhos podem ser classificados em planos e curvos.

Espelhos planos Os espelhos planos são superfícies polidas planas, onde a distância entre o

objeto e o espelho é igual à distância entre o espelho e a imagem. A imagem é, portanto, simétrica ao objeto, em relação ao plano do espelho.

Além disso, a imagem é: • virtual — forma-se atrás do espelho;

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

3

• direita — apresenta posição igual à do objeto; • domesmo tamanho que o objeto.

Os espelhos utilizados nas residências geralmente são planos, e feitos de

vidro polido, estanhado na superfície de trás. Espelhos curvos ou esféricos

Os espelhos curvos são superfícies polidas curvas. Dentre os espelhos curvos, estudaremos apenas os esféricos, ou seja, aqueles que são, ou que poderiam ser, partes de uma esfera.

Os espelhos esféricos podem ser: • côncavos — quando a superfície refletora (polida) for a interna; • convexos — quando a superfície refletora for a externa. Elementos dos espelhos periféricos

Os elementos dos espelhos esféricos são: centro de curvatura, eixo principal

e foco principal. • Centro de curvatura (C) — é o centro da esfera a que pertence o espelho. A

distância entre o centro de curvatura e o espelho corresponde, portanto, ao raio da esfera.

Eixo principal (AB) — é a reta que passa pelo centro de curvatura e pela

região mediana do espelho.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Foco principal (F) — é o ponto para onde se dirigem, após a reflexão, todos os raios que incidem paralelamente ao eixo principal do espelho.

Raios particulares Se um raio de luz incidir paralelamente ao eixo principal, o raio refletido passa pelo foco principal.

Se um raio de luz incidir no vértice do espelho, o raio refletido é simétrico em relação ao eixo principal.

Se um raio de luz incidir passando pelo centro de curvatura, o raio é refletido sobre si mesmo.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

5

Formação das imagens nos espelhos esféricos

As imagens (i) formadas nos espelhos esféricos têm características que

dependem da distância entre o objeto (o) e a superfície refletora e que variam, também, conforme o espelho, seja côncavo ou convexo.

A ilustração mostra que, para se construir a imagem nos espelhos esféricos,

devemos traçar três linhas:

1) Uma que vai da extremidade do objeto (o) até o espelho, paralelamente ao eixo principal, representando um raio luminoso que atinge a superfície refletora;

2) Uma que parte do ponto onde incidiu o raio luminoso no espelho e passa pelo

foco principal; esta linha representa a reflexão do raio luminoso que atingiu o espelho paralelamente ao eixo principal;

3) Uma que parte da extremidade do objeto (o) e passa pelo centro de curvatura,

representando um raio luminoso incidente, que não é paralelo ao eixo principal.

P

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

6

Para a construção da imagem (i) desenhamos a sua extremidade no ponto de

intersecção (ponto de cruzamento) da linha 1, que passa pelo foco principal, com a linha 2, que passa pelo centro de curvatura.

A base da imagem (i) repousa, como a base do objeto (o), no eixo principal.

Os exemplos dados mostraram um caso de formação de imagem em

espelho côncavo e um de formação de imagem em espelho convexo. A imagens, no entanto, não são sempre como as que se formaram nos exemplos mostrados. Elas podem variar, principalmente em função da distância do objeto ao espelho.

Nos espelhos côncavos, por exemplo, quando o objeto está situado entre foco principal e o espelho, a imagem formada é virtual, direita e maior que o objeto.

A imagem formada no espelho côncavo é:

• assimétrica — a distância entre o objeto e o espelho é diferente da distância entre a imagem e o espelho;

• real — a imagem forma-se antes (na frente) do espelho; • invertida — a posição da imagem é contrária à posição do objeto; • tamanho menor— a imagem é menor que o objeto.

A imagem formada no espelho convexo é:

• assimétrica — a distância entre o objeto e o espelho é diferente da distância entre a imagem e o espelho;

• virtual — a imagem forma-se atrás do espelho; • direita — a imagem apresenta a mesma posição que o objeto; • tamanho menor — a imagem é menor que o objeto.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Veja: Compare agora as imagens de dois objetos do mesmo tamanho formados em um espelho côncavo, quando um objeto está localizado entre o centro de curvatura e o foco principal, e o outro está mais afastado, antes do centro de curvatura:

Nos dois casos, as imagens são reais e invertidas, mas os tamanhos delas variam conforme a posição do objeto.

Nos espelhos côncavos as imagens podem ser reais ou virtuais, direitas ou invertidas, menores ou maiores que o objeto. São, no entanto, normalmente assimétricas.

Nos espelhos convexos, as imagens são sempre virtuais, direitas e menores que o objeto. São também, como as imagens nos espelhos côncavos, normalmente assimétricas.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Estudo analítico Convenção de sinais (referencial de Gauss) Consideremos dois eixos ortogonais, com origem no vértice do espelho.

Equação de Gauss e equação do aumento linear transversal Consideremos o espelho da figura:

origem: vértice do espelho . direção: a do eixo principal. sentido: contrário ao da luz incidente.

Eixo das abscissas

Eixo das ordenadas origem: vértice do espelho. direção: perpendicular ao eixo. principal sentido: de baixo para cima.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Em que:

p = distância do objeto ao vértice (abscissa do objeto); p’= distância da imagem ao vértice (abscissa da imagem); o = altura do objeto; i = altura da imagem; f = distância focal; R = raio de curvatura (R = 2.f).

Por semelhança de triângulos podemos demonstrar que: Para cálculo da distância focal(f), posição do objeto(p), e posição da imagem(p`), usamos a fómula

Para cálculo da altura da imagem usamos a fómula

Para cálculo do aumento linear transversal (A) usamos as fórmulas

ou p

p A

′− =

Considerando sempre o objeto real (p> O), nestas equações temos:

ppf ′ +=

111

p

p

o

i ′− =

o

i A =

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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EXEMPLO A. Um espelho côncavo fornece, de um objeto real situado a 30 cm do seu vértice, uma imagem real situada a 20 cm do vértice. Calcule:

a) A distância focal do espelho. b) O raio de curvatura do espelho. c) O aumento linear transversal.

RESOLUÇÃO:

a)f

1 = 1

1

p

+ p

1

f

1 = 20

1 + 30

1

f

1 =

60

23 +

f

1 = 60

5

5f = 60

Obs.: R = 2.f f = foco p = distância do espelho p’ = distância da imagem do espelho.

b) R = 2f

R = 2 . 12 R = 24 cm

c) A = p

p 1−

A = 30

20−

A = 3

2− f = 12 cm

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EXERCÍCIOS- RESPONDA EM SEU CADERNO: 1. O que é um espelho? 2. Qual é a diferença entre espelho côncavo e espelho convexo? 3. A imagem de um objeto forma-se a 40 cm de um espelho côncavo (p1) com distância focal (f) de 30 cm. A imagem formada situa-se sobre o eixo principal do espelho, real, invertido e teve 3 cm de altura. Determine a posição (distância – p) do objeto ao espelho. LENTES

A propriedade que os corpos transparentes possuem de desviar a luz que os atravessa é utilizada na fabricação de lentes.

As lentes são corpos transparentes que possuem duas superfícies, sendo que pelo menos uma é curva.

A ilustração ao lado mostra o que acontece quando um feixe de luz atravessa uma lente convexa e quando atravessa uma lente côncava.

Os raios luminosos que formam os

feixes de luz aproximam-se quando atravessam a lente convexa, e afastam- se quando atravessam a lente côncava.

Como as lentes convexas determinam convergências dos raios luminosos, elas são chamadas lentes convergentes.

As lentes côncavas são

divergentes, pois provocam a divergência dos raios luminosos, isto é, fazem com que os raios luminosos se afastem.

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A VISÃO HUMANA

Veja, inicialmente, como é formada a imagem nas lentes convexas, que são convergentes.

No olho humano, a imagem forma-se de maneira semelhante, pois dentro

dele existe o cristalino, que é uma lente convergente.

No olho normal, chamado emetrope, a imagem forma-se exatamente na

retina. Quando a imagem se forma antes da retina, o olho é míope; quando se forma depois, é hipermetrope. A miopia e a hipermetropia são, pois, defeitos opostos da visão humana. De fato, pessoas míopes têm dificuldade em enxergar à distância e as pessoas hipermetropes têm dificuldade de enxergar objetos muito próximos.

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A miopia e a hipermetropia são defeitos que ocorrem com grande freqüência na espécie humana. A correção desses defeitos é feita com o uso de lentes corretoras: para miopia usam-se lentes côncavas ou divergentes; para hipermetropia usam-se lentes convexas ou convergentes.

SAIBA MAIS...

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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EXERCÍCIOS- RESPONDA EM SEU CADERNO: 4. Qual a diferença entre lentes convergentes e divergentes? 5. O que diferencia a miopia da hipermetropia? Como podem ser corrigidos

esses problemas? EXEMPLO B. Uma lente convergente tem distância focal f = 6 cm. Um objeto luminoso, de 4 cm de altura, é colocado perpendicularmente ao eixo óptico e a 9 cm da lente (p). Calcule: a) Posição da imagem (p`) b) O tamanho da imagem (i) c) O aumento linear transversal

cmp

p

p

p

ppf

ppf

18`

`

1

18

1

`

1

18

23

`

1

9

1

6

1

`

111

`

111

=

=

= −

=−

=−

+=

módulo

Dados: f = 6 cm o = 4 cm p = 9 cm

2 9

18

`

−=

− =

− =

A

A

p

p A

Para subtrair 9

1 de

6

1 , tiramos o M.M.C.

(Mínimo múltiplo comum) entre os números 6 e 9.

6,9 2 3,9 3 1,3 3 1,1 18 O mínimo entre 6 e 9 é 18

cmioucmi

i

i

i

p

p

o

i

88 9

72 9

418 9

18

4

`

=−=

− =

⋅− =

− =

− =

a

a)

b) c)

Obs.: i significa tamanho da imagem, mas tamanho não pode ser negativo, por isso colocamos em módulo pois ele pode ser tanto positivo quanto negativo.

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EXERCÍCIO – Responda em seu caderno: 6. Um objeto (o) = 6 cm de altura está colocado a 12 cm de uma lente (p) convergente de distância focal = 4cm. Determine:

a) A posição da imagem (p’) c) O aumento linear transversal b) O tamanho da imagem (i)

INSTRUMENTOS ÓPTICOS

Introdução Para pesquisar objetos distantes ou objetos pequenos, utilizamos instrumentos que permitem sua observação em condições mais favoráveis do que a olho nu. Os instrumentos ópticos são classificados em: • instrumentos de observação; • instrumentos de projeção. Os instrumentos de observação fornecem imagens virtuais, maiores que o objeto. Exemplo: microscópio, lupa, telescópio, etc. Os instrumentos de projeção fornecem imagens reais, maiores que o objeto. A imagem deve ser real porque será projetada num anteparo. Exemplo: máquinas fotográficas, projetores, etc.

Instrumentos de projeção

a) Máquina fotográfica

Consiste numa câmara escura que tem na frente uma lente convergente (objetiva) e um diafragma; na outra extremidade, um filme. A imagem formada é real, invertida e menor que o objeto. O diafragma é um orifício reduzido que regula a penetração da luz na câ- mara.

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b) Projetores

São aparelhos destinados a ampliar e projetar em anteparos as imagens de objetos gravados (slides ou filmes).

Os projetores constam de uma lente convergente como objetiva, sendo necessária uma fonte de luz bem intensa para iluminar os objetos a serem projetados.

O condensador, constituído por duas lentes plano-convexas, concentra a luz sobre a objetiva. Há dois tipos de projetores:

diascópios: para projetar objetos transparentes; • episcópios: para projetar objetos opacos.

Observe que a imagem é real, invertida e maior.

Instrumentos de observação a) Lupa ou microscópio simples Consiste numa lente convergente de pequena distância focal cuja finalidade é aumentar o tamanho do objeto. A imagem é virtual, direita e maior, e o objeto deve ser colocado entre o foco e o centro óptico da lente.

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b) Microscópio composto

É utilizado para observação de objetos de pequenas dimensões para os quais se deseja um aumento muito grande.

O microscópio composto consta de duas lentes convergentes, associadas entre duas fileiras e colocadas cada uma numa extremidade de um tubo fechado.

Uma delas, denominada objetiva, de pequena distância focal, da ordem de milímetros, é colocada na extremidade inferior do tubo, próxima ao objeto; a outra, denominada ocular, fica na parte superior do tubo; com ela observamos a imagem fornecida pela objetiva. A imagem final é virtual, invertida e maior que o objeto.

c) Luneta astronômica É utilizada para observação de objetos distantes. Consta de duas lentes convergentes, a objetiva e a ocular. A objetiva tem uma distância focal grande, da ordem de alguns metros. A imagem final fornecida pela luneta é virtual, invertida e ampliada..

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Na luneta terrestre intercala-se uma terceira lente entre a ocular e a objetiva, com a finalidade de tornar a imagem final direita. Nos telescópios, a objetiva é substituída por um espelho parabólico côncavo, com a vantagem de apresentar menos aberrações que as lentes.

Quando o olho é colocado no foco imagem da luneta astronômica, temos o aumento angular nominal, que é dado por:

GABARITO

MÓDULO 9

Exercício 3: p = 120 cm Exercício 6: a) P’ = 6 cm b) i = -3cm ou i = 3 cm

c) A = 2

1−

An = oc

ob

f

f

Em que: An = aumento angular nominal f ob = foco da objetiva foc = foco ocular

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MÓDULO 10

ELETRICIDADE

ELETRICIDADE NA ATMOSFERA Raios, relâmpagos, trovões As nuvens de tempestade apresentam-se, em geral, eletrizadas. Através de aviões e sondas, os pesquisadores chegaram à conclusão de que tais nuvens possuem a parte superior eletrizada positivamente e a inferior, negativamente. Quando a nuvem se torna excessivamente carregada, ocorre uma descarga elétrica sob a forma de uma grande faísca, que recebe o nome de raio. A luz que acompanha o raio — o relâmpago — resulta da ionização do ar; o som produzido pelo forte aquecimento do ar e sua brusca expansão é o trovão.

A NASA prevê com 30 minutos de antecedência onde o raio vai cair. O processo de descarga elétrica ocorre numa sucessão muito rápida.

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Inicia-se com uma descarga denominada descarga líder, que parte da nuvem até atingir o solo. Seguindo trajetórias irregulares à procura de caminhos que conduzam melhor a eletricidade, a descarga líder tem a forma de uma árvore invertida. Através desses mesmos caminhos, ocorre outra descarga elétrica de grande luminosidade, que parte do solo e atinge a nuvem e é denominada descarga principal. O processo descrito pode acontecer repetidas vezes, num intervalo de tempo extremamente pequeno.

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Pára-raios

O pára-raios tem a finalidade de proteger casas, edificios, depósitos de

combustíveis, linhas de transmissão de energia elétrica, oferecendo à descarga elétrica um caminho seguro entre a nuvem e o solo. Inventado por Benjamin Franklin, consta de uma base metálica disposta verticalmente na parte mais alta da estrutura a ser protegida.

A extremidade da haste possui uma ou mais pontas de material de elevada

temperatura de fusão. A outra extremidade é ligada, através de condutores metálicos, a barras metálicas cravadas profundamente no solo. Quando a nuvem está sobre o pára-raios, a descarga principal ocorre da terra para a nuvem através do pára-raios.

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Evitando os perigos do raio

Nas tempestades, devem-se evitar locais descampados, pois a pessoa pode

funcionar como a ponta de um pára-raios. Não se deve permanecer nas partes mais altas de uma casa sem pára-raios. As antenas de televisão e as chaminés também podem funcionar como pára-raios inoportunos. Devem ser evitadas árvores isoladas e partes altas de terrenos. Quem estiver dentro da água, numa piscina ou no mar, deve sair rapidamente ao escutar o primeiro trovão.

O carro é um ótimo abrigo para quem é atingido por uma tempestade. Se

um carro for atingido por um raio, as cargas elétricas escoarão muito lentamente para o solo através dos pneus. Por isso não se deve descer do carro imediatamente, pois, ao encostar a mão na lataria e o pé no solo, estabelece-se uma ligação com a terra, e a carga elétrica do raio, localizada no veículo, escoa para o solo através do corpo da pessoa, eletrocutando-a.

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Alessandro Volta e Luigi Galvani Alessandro Volta, que iniciou o estudo moderno da eletricidade, foi professor da Universidade de Pávia, na Itália. Recebeu o título de conde, conferido por Napoleão Bonaparte. A invenção da pilha por Volta originou-se de uma observação do biólogo italiano Luigi Galvani (1737-1797), professor de anatomia da Universidade de Bolonha. Certa ocasião, Galvani pendurou pernas de rã, através de ganchos de cobre, a um suporte de ferro, com a finalidade de secá-las. Devido à brisa as pernas balançavam, e Galvani notou que, cada vez que as pernas tocavam no suporte de ferro, elas se contraíam. Ele atribuiu as contrações a uma corrente elétrica produzida pela rã.

Alessandro Volta não concordou com Galvani, explicando que a corrente elétrica era originada pela existência de dois metais diferentes em contato com substâncias ácidas existentes no corpo da rã. Para demonstrar sua teoria, construiu a primeira pilha elétrica.

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A pilha original inventada por Alessandro Volta tinha a seguinte

disposição: um disco de cobre, sobre ele um disco de pano embebido em ácido sulfúrico diluído em água e um disco de zinco; sobre este, outro disco de cobre e assim por diante, formando um conjunto de discos empilhados uns sobre os outros. Daí o nome pilha elétrica. Aos discos extremos ligam-se fios condutores, que são os terminais da pilha.

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Construindo uma pilha elétrica

Num recipiente contendo ácido sulfúrico diluído em água (uma colher de ácido em um copo de água), colocam-se duas lâminas, sendo uma de zinco e outra de cobre. Através de um fio condutor, liga-se uma pequena lâmpada de lanterna às lâminas, como mostra a figura.

Observa-se então que a lâmpada acende. O sistema constituído pelas lâminas de zinco e cobre e pela solução de ácido sulfúrico é uma pilha elétrica. O zinco é o pólo negativo da pilha e o cobre, o pólo positivo.

Elétrons movimentam-se ordenadamente no sentido da lâmina de zinco para a lâmina de cobre, conforme indica a figura, constituindo uma corrente elétrica que, ao atravessar a lâmpada, faz com que ela acenda.

Dizemos que, entre as lâminas de cobre e de zinco, se estabelece uma diferença de potencial elétrico ou uma tensão elétrica. Do mesmo modo que uma diferença de altura é responsável por uma corrente de água através de um canal, também a diferença de potencial elétrico é a causa da corrente elétrica. O valor da diferença de potencial elétrico depende dos materiais usados nas lâminas e é medido em volts

(símbolo V), em homenagem a Alessandro Volta.

No lugar da lâmpada ligamos um medidor. Ele acusa uma diferença de potencial entre as lâminas.

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Se você enfiar duas lâminas, uma de zinco e outra de cobre, numa laranja,

num limão ou numa batata, o suco fará o papel da solução de ácido sulfúrico, o conjunto formará uma pilha.

O relógio digital está funcionando com uma pilha feita de duas lâminas, uma de zinco e outra de cobre, enfiadas numa batata.

Um limão com as duas lâminas — uma de zinco e outra de cobre — é uma pilha. Observe que o medidor acusa a passagem da corrente elétrica.

As lâminas de cobre e de zinco, juntamente com a saliva, formam uma pilha.

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A carga elétrica

A matéria é formada de pequenas partículas, os átomos. Cada átomo, por sua vez, é constituído de partículas ainda menores, os prótons, os elétrons e os nêutrons. Os prótons e os nêutrons localizam-se na parte central do átomo, e formam o chamado núcleo. Os elétrons giram em torno do núcleo na região chamada de eletrosfera. Os prótons e os elétrons apresentam uma importante propriedade física, a carga elétrica A carga elétrica do próton e a do elétron têm a mesma intensidade mas, sinais contrários. A carga do próton é positiva e a do elétron, negativa.

Num átomo não existe predominância de cargas elétricas; o número de prótons é igual ao número de elétrons. O átomo é um sistema eletricamente neutro. Entretanto, quando ele perde ou ganha elétrons, fica eletrizado. Eletrizado positivamente quando perde elétrons e negativamente quando recebe elétrons.

Sendo a carga do elétron a menor quantidade de carga elétrica existente na natureza, ela foi tomada como carga padrão nas

medidas de cargas elétricas.

Eletrização de um corpo

O processo de eletrização de um corpo é semelhante ao de um átomo. Se

num corpo o número de prótons for igual ao número de elétrons, dizemos que ele está neutro. Quando um corpo apresenta uma falta ou um excesso de elétrons, ele adquire uma carga elétrica Q, que é sempre um número inteiro n de elétrons, de modo que:

Portanto, um corpo eletrizado pode estar:

• eletrizado positivamente: falta de elétrons Q = +n . e • eletrizado negativamente: excesso de elétrons Q = -n . e

Q = n .e

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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É usual o emprego dos submúltiplos: • 1 microcoulomb = 1 µC = 1.10 –6 C • 1 nanocoulomb = 1 nC = 1.10-9 C • 1 picocoulomb = 1 pC = 1.10-12 C

EXEMPLO A - Determinar o número de elétrons existentes em uma carga de 1,0 coulomb. Resolução: Da equação Q = n . e, obtém-se:

elétronsn

n

e

Q n

enQ

19 19

19

10625,0 10

625,0

106,1

1

⋅==

⋅ =

=

⋅=

Resposta: 6,25. 1018 elétrons EXERCÍCIOS – RESPONDA EM SEU CADERNO: 1. É dado um corpo eletrizado com carga 6,4µ C. Determine o número de

elétrons em falta no corpo.A carga do elétron é -1,6 . 10 -19C.

Princípios da eletrostática

Experiências comprovam que durante o processo de atrito, o número de cargas cedidas por um corpo é igual ao número de cargas recebidas pelo outro, o que permite enunciar o princípio da conservação da carga elétrica:

Num sistema eletricamente isolado, é constante a soma algébrica das cargas elétricas.

Dados: Q = 1,0C

e =1,6 .10-19 C

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Aproximando-se dois corpos eletrizados de mesma carga elétrica, entre eles aparece uma força elétrica de repulsão, e entre corpos eletrizados de cargas diferentes, força elétrica de atração, o que permite enunciar o princípio da atração e repulsão das cargas:

Condutores e isolantes Denominam-se condutores as substâncias nas quais os elétrons se locomovem com facilidade por estarem fracamente ligados aos átomos. Nos condutores, os elétrons mais distantes do núcleo abandonam o átomo, adquirindo liberdade de movimento: são os elétrons livres. Num condutor eletrizado, as forças de repulsão, que agem entre as cargas de mesmo sinal, fazem com que as cargas fiquem distantes umas das outras. O maior afastamento possível ocorre na superfície do corpo.

Por outro lado, chamam-se isolantes, ou dielétricos, as substâncias nas quais os elétrons não têm liberdade de movimento. Nos isolantes, os elétrons não se movimentam com facilidade, pois estão fortemente ligados ao núcleo do átomo e dificilmente poderão se libertar.

Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem.

Num condutor eletrizado, as cargas elétricas se localizam na sua superfície.

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Isto, no entanto, não quer dizer que um corpo isolante não possa ser eletri- zado. A diferença é que nos isolantes as cargas elétricas permanecem na região em que apareceram, enquanto nos condutores elas se distribuem pela superfície do corpo. Processos de eletrização

Eletrização por atrito Quando dois corpos são atritados, pode ocorrer a passagem de elétrons de um

corpo para o outro. Nesse caso diz-se que houve uma eletrização por atrito. Considere um bastão de plástico sendo atritado com um pedaço de lã, ambos

inicialmente neutros. A experiência mostra que, após o atrito, os corpos passam a manifestar

propriedades elétricas.

No exemplo descrito, houve transferência de elétrons da lã para o bastão.

Na eletrização por atrito, os dois corpos ficam carregados com cargas iguais, porém de sinais contrários.

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Eletrização por contato

Quando colocamos dois corpos condutores em contato, um eletrizado e o outro neutro, pode ocorrer a passagem de elétrons de um para o outro, fazendo com que o corpo neutro se eletrize. Consideremos duas esferas, uma eletrizada e a outra neutra.

As cargas em excesso do condutor eletrizado negativamente se repelem e alguns elétrons passam para o corpo neutro, fazendo com que ele fique também com elétrons em excesso e, portanto, eletrizado negativamente.

Na eletrização por contato, a soma das cargas dos corpos é igual antes e após o contato, se o sistema for eletricamente isolado.

Se ligarmos um condutor eletrizado à terra, ele se descarrega de uma das seguintes formas:

Para condutores de mesma forma e mesmas dimensões as cargas elétricas dos condutores após o contato serão iguais.

Os elétrons da terra são atraídos para o condutor devido à atração pelas cargas positivas.

Os elétrons em excesso do condutor escoam para a terra devido à repulsão entre eles.

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Eletrização por indução

A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples aproximação de um outro corpo eletrizado, sem que haja o contato entre eles. Consideremos um condutor inicialmente neutro e um bastão eletrizado negativamente. Quando aproximamos o bastão eletrizado do corpo neutro, as suas cargas negativas repelem os elétrons livres do corpo neutro para as posições mais distantes possíveis.

Desta forma, o corpo fica com falta de elétrons numa extremidade e com excesso de elétrons na outra. O fenômeno da separação de cargas num condutor, provocado pela aproximação de um corpo eletrizado, é denominado indução eletrostática.

O corpo eletrizado que provocou a indução é denominado indutor e o que sofreu a indução é chamado induzido.

Se quisermos obter no induzido uma eletrização com cargas de um só sinal, basta ligá-lo à terra, na presença do indutor.

Nesta situação, os elétrons livres do induzido, que estão sendo repelidos pela presença do indutor, escoam para a terra. Desfazendo-se esse contato e, logo após, afastando-se o bastão, o induzido ficará carregado com cargas positivas.

Na indução eletrostática ocorre apenas uma separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

33

Lei de Coulomb

Força elétrica

Esta lei diz respeito à intensidade das forças de atração ou de repulsão, que agem em duas cargas elétricas puntiformes (cargas de dimensões desprezíveis), quando colocadas em presença uma da outra.

Considere duas cargas elétricas puntiformes, Q1 e Q2, separadas pela distância d. Sabemos que, se os sinais dessas cargas forem iguais, elas se repelem e, se forem diferentes, se atraem.

Isto acontece devido à ação de forças de natureza elétrica sobre elas. Essas forças são de ação e reação e, portanto, têm a mesma intensidade, a mesma direção e sentidos opostos. Deve-se notar também que, de acordo com o princípio da ação e reação, elas são forças que agem em corpos diferentes e, portanto, não se anulam. Charles de Coulomb verificou experimentalmente que: A expressão matemática dessa força:

No processo da indução eletrostática, o corpo induzido se eletrizará sempre com cargas de sinal contrário às do indutor.

F = 2 21..

d

QQk

As forças de atração ou de repulsão entre duas cargas elétricas puntiformes são diretamente proporcionais ao produto das cargas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância que as separa.

Onde: K= Constante elétrostática Q1 e Q2 = Cargas elétricas em módulo d= Distância entre as cargas elétricas

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

34

k é a constante eletrostática que no SI (sistema internacional de unidades), para as cargas situadas no vácuo, é indicada por k0 e vale: Exemplos: B - Duas cargas puntiformes, Q1 = 5 . 10-6 C e Q2 = 4 µ C, no vácuo, estão separadas por uma distância de 3 m. Determinar a força elétrica entre elas. Dado

k0 = 9 . 109 N . m2/C2. Obs.: Lembre-se que µ = 10-6 Resolução: Como as cargas têm sinais opostos, a força elétrica é de atração, e sua intensidade é dada pela lei de Coulomb:

Resposta: Força de atração de 2. 10-2 N

k = 9 .109 N•m2 c2

Na multiplicação de expoentes de mesma base, conservamos a base e somamos os expoentes. Exemplo: 3669 10101010 −−− =⋅⋅

NF

F

F

F

F

d

QQk F

2

3

3

3

2

669

2 210

102

1020

9

10180

9

10459

3

104105109

−−

⋅=

⋅=

⋅ =

⋅⋅⋅ =

⋅⋅⋅⋅⋅ =

⋅⋅ =

Dados: Q1 = 5.10

-6 C Q2 = 4.10

-6 C d = 3 m k0 = 9.10

9 N.m2 / C2

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Dados: Q1 = 4 . 10

-3 C Q2 = 2 . 10

-6 C d = 2m K0 = 9 . 10

9 N . m2/C2

Todo número elevado a 0 (zero) vale 1 Exemplo: 100 = 1

C - Calcule a força elétrica entre duas cargas de 4.10-3 C e 2 µ C, separadas a uma distância de 2 m no vácuo.

Temos a fórmula Aplicando esses valores à fórmula, temos:

Na multiplicação de expoentes de mesma base,

conservamos a base e somamos os expoentes. Exemplo: 109 . 10-3 . 10-6 = 100

Resposta: A força entre as cargas é de 18N EXERCÍCIOS – Resolva em seu caderno: 2. Duas cargas elétricas puntiformes de 5 . 10-3 C e 3 µ C, no vácuo, estão separadas por uma distância de 5 m. Calcule a intensidade da força de repulsão entre elas. 3. Calcule a força elétrica existente entre cargas elétricas de 1µ C e 6µ C, no vácuo, separadas a distância de 2 m entre si.

Campo elétrico

O conceito de campo elétrico pode ser mais bem apresentado fazendo-se uma analogia do campo elétrico com o campo gravitacional criado pela Terra.

NF

F

F

F

F

el

el

el

el

el

18 4

72 4

1249 4

10249

2

102104109

0

2

639

=

=

⋅⋅⋅ =

⋅⋅⋅ =

⋅⋅⋅⋅⋅ =

−−

2 210

d

QQk Fel

⋅⋅ =

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

36

A massa M da Terra cria em torno de si o campo gravitacional g. Um corpo de massa m próximo da Terra fica sujeito a uma força de atração gravitacional, a força peso, decorrente da ação de g sobre m. Uma carga Q origina em torno de si um Campo elétrico E. Uma carga de prova q colocada nessa região fica sujeita à ação de uma força elétrica F. É importante observar que o campo elétrico é uma propriedade dos pontos da região influenciada pela presença da carga elétrica Q, não dependendo da presença da carga de prova q nesses pontos para a sua existência. A carga de prova q é utilizada somente para a verificação da existência do campo elétrico num determinado ponto da região. Portanto:

Vetor campo elétrico

Considere uma carga Q criando em torno de si um campo elétrico. Colocando-se num ponto P dessa região uma carga de prova q, esta fica sujeita

a uma força elétrica F . A definição do vetor campo elétrico E é dada pela expressão:

Existe uma região de influência da carga Q onde qualquer carga de prova q, nela colocada, estará sob a ação de uma força de origem elétrica. A essa região chamamos de campo elétrico.

E = q

F

Onde: E= Campo Elétrico F= Força q= Carga Elétrica

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

37

As características de vetor campo elétrico são: a) Intensidade É dada por: E = F Q A unidade de medida de E no Sistema Internacional é o N C b) Direção O vetor E tem a mesma direção da força F . c) Sentido Analisando a expressão F = q .E , podemos associar o sentido do campo elétrico com o da força elétrica da seguinte forma:

Exemplo: D - Um campo elétrico apresenta em um ponto P de uma região a

intensidade de 6 . 105 N/C, direção horizontal e sentido da esquerda para a direita. Determinar a intensidade, a direção e o sentido da força elétrica que atua sobre uma carga puntiforme q, colocada no ponto P, nos seguintes casos:

a) q = 2.10-6 C b) q = -3.10-6 C

*Se q> 0, E e F têm o mesmo sentido.

F E

0 q

* Se q < 0, E e F têm sentidos contrários.

F E q 0

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Resolução: a) Esquema: P F E q Intensidade

NF

F

F

EqF

2,1

10.12

10.6102

.

1

56

=

=

⋅⋅=

=

Direção: Horizontal Sentido: Como q > 0, F tem o mesmo sentido de E .

b) F E

Intensidade:

NF

NF

F

F

EqF

8,1

8,1

10.18

10.6103

.

1

56

=

−=

−=

⋅⋅−=

=

Direção: Horizontal Sentido : como q < 0, F tem sentido contrário ao de E

Dados: E= 6.105 N/C q= -3µC = -3.10-6 C F = ?

Dados: q = 2.10-6 C E= 6.105 N/C

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EXERCÍCIOS - RESOLVA EM SEU CADERNO: 4. Sobre uma carga de 4 C, situada num ponto P, atua uma força de 8N. Se substituirmos a carga de 4 C por uma outra de 5 C, qual será a intensidade da força sobre essa carga colocada no ponto? Podemos calcular o campo elétrico num ponto através da fómula:

2d

Qk E

⋅ =

Exemplo:

E - Qual o campo gerado por uma carga negativa de 6 . 10-8 a uma distância de 3 m da mesma?

E = 2

d

KQ

E = 9 . 109 . 6 . 10-8 32

E = 9 . 6 . 10 9 E = 60 N/C EXERCÍCIOS - RESOLVA EM SEU CADERNO:

5. Qual o campo gerado por uma carga de 3 . 10-12 C a uma distância de 2 m da mesma?

6. Uma carga elétrica de 4 . 10-8 C a uma distância de 3 m, gera um campo elétrico de : a) 60 N/C b) 30 N/C c) 40 N/C d) 360 N/C

Dados: k = 9 .109 N•m2 c2 Q= 6.10-8C d= 3m E = ?

Onde: E= Campo Elétrico k= Constante Eletrostática Q= Carga Elétrica d= Distância do campo elétrico a carga

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GABARITO

MÓDULO 10

Exercício 1:

n = 4 . 1013 elétrons Exercício 2: F = 5,4 N Exercício 3:

F = 1,35 . 10-2 N Exercício 4: F = 10 N

Exercício 5:

E = 6,75 . 10-3 N/C Exercício 6: Letra C = 40N/C

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MÓDULO 11

A ELETRICIDADE EM SUA CASA

INSTALAÇÃO ELÉTRICA Classificamos a instalação elétrica que chega às residências de acordo com o

número de fios elétricos. Nas casas geralmente é monofásica ou bifásica. Em indústrias e prédios de

apartamento é trifásica, devido ao uso em elevadores e bombas-d’água, por exemplo.

• O fio neutro normalmente não tem voltagem. Não dá choque. • O fio fase é um fio energizado (com energia). Dá choque.

Teste de corrente elétrica Para verificarmos se passa corrente elétrica por um fio condutor (fases), devemos usar uma lâmpada-teste.

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Perceba que a lâmpada-teste tem de ser de 220 volts.Cada fio fase tem 110 V. Quando você testa a passagem de corrente elétrica e a lâmpada não fica muito clara é porque um dos fios é neutro e a d.d.p. é de 110 V. Se a lâmpada ficar totalmente acesa, os dois fios são fase e a d.d.p. é de 220 V. Se você tivesse usado uma lâmpada-teste de 110 V, ela teria queimado ao testar a d.d.p. de 220 V.

Diâmetro dos fios bitola O diâmetro dos fios é conhecido como bitola. Esse valor é de grande

importância para evitar acidentes. Caso seja fino e a potência dos aparelhos seja grande, o fio esquenta e perde energia; podendo até derreter a capa provocando curto-circuito e incêndios, além de gastar mais energia.

SAIBA MAIS

Conduítes são tubulações por onde passam os fios em sua residência. Os fios devem ser de material isolante, como o PVC, e se encontram no interior das paredes.

• As caixas onde ficam as tomadas e os interruptores também devem ser de material isolante. Evita-se usar conduítes e caixas de ferro para impedir a “fuga” de energia ou curtos-circuitos.

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COMO DEVE SER A INSTALAÇÃO ELÉTRICA EM SUA CASA

Lâmpadas e interruptores

O fio neutro deve estar sempre ligado direto à lâmpada, e o fio fase, ao interruptor.

Observe a figura : Tomadas

1. Que fios entram numa tomada simples?

Um fio neutro e um fase.

2. Que fio precisa entrar e sair num interruptor?

Fio fase.

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Cuidado com as emendas

As emendas de fios devem ser bem feitas para evitar que elas se aqueçam ou se soltem, provocando acidentes.

Após fazer as emendas, encape-as

com fita isolante, própria para fios.

Há diversos tipos de emendas, que são empregadas de acordo com o local onde elas serão realizadas. Veja estas ilustrações:

Não deve haver emendas de fios dentro dos conduítes. Curto-circuito Ocorre quando dois fios, um positivo e outro negativo se tocam. Esse contato produz faísca elétrica, que muitas vezes é a causa de incêndios nos prédios.

Não use durex, esparadrapos ou outros materiais para cobrir emendas.

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Pode também ocorrer quando aproximamos dois fios de cargas contrárias, através da faísca que salta quando as cargas contidas num fio passam rapidamente para o outro. Essa faísca também provoca incêndio.

Os fusíveis e os disjuntores

Você já deve ter observado que todas as instalações elétricas têm uma ou mais chaves com fusíveis ou disjuntores; normalmente é a caixa de luz das residências. Os fusíveis e os disjuntores servem para proteger a instalação em casos de curtos-circuitos ou quando há excesso de corrente elétrica. Nesses casos, os fusíveis e os disjuntores interrompem a passagem de corrente elétrica no circuito, evitando maiores danos. Vejamos como funciona: Todo fusível possui um filamento que se derrete facilmente quando é aquecido e um disjuntor que desliga automaticamente quando existe um aquecimento exagerado do fio.

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Aumentando a intensidade de corrente, o filamento do fusível derrete, interrompendo a corrente elétrica.

CALCULANDO O CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA MENSAL DOS ELETRODOMÉSTICOS

Para calcular o consumo mensal de energia de cada aparelho, multiplique a potência do aparelho pelo número de horas em que ele for usado.

Use a fórmula:

Consumo (kWh) = potência (W) · horas de uso por dia · dias de uso no mês 1 000 Exemplo:

Uma lâmpada de 100 watts fica acesa 6 horas por dia. Qual o consumo dessa lâmpada durante o mês?

P = 100 W (potência do equipamento)

Consumo = 100W · 6h · 30 dias = 18 k W h / mês

1000

EXERCÍCIOS -Responda em seu caderno:

1) Um chuveiro de 4000 watts de potência é usado meia hora (0,5 h) por dia. Qual o seu consumo durante um mês?

2) Um ferro elétrico de 1000 watts de potência é usado durante quinze minutos, todos os dias. Qual o seu consumo mensal? Obs.: Transforme minutos em horas.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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3) Um televisor de 300 watts de potência funciona durante seis horas por dia. Qual o seu consumo mensal?

Confira a sua conta de luz

Todos os meses o leitor da companhia

de energia elétrica coleta dados nos me- didores para verificar o consumo de energia mensal.

Existem dois tipos de medidores: o de ponteiros com vários reloginhos e o ou- tro mais moderno, onde você já lê os números diretamente.

Em ambos, a leitura é feita da esquer- da para a direita.

O consumo do mês é obtido pela di- ferença entre as leituras de dois meses. Veja estes exemplos de leitura nos dois tipos de medidores.

Quanto consumiu: - 1699 1502 197 quilowatts-horas (kWh) - consumo do mês

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Quanto consumiu: Leitura do relógio de luz

- 1699_____ Leitura de hoje 1502_____ Leitura do mês anterior

197 kWh — Consumo do mês Esse valor deve ser multiplicado pela tarifa e somado ao imposto. O resultado representa o valor da conta de luz a ser paga. No medidor de ponteiros, anota-se o último algarismo ultrapassado por eles. Consertando o abajur É muito comum acontecer de seu abajur não acender. Na maioria das vezes, é um simples fio que se desprendeu do parafuso no interruptor. Verifique, primeiro, se a lâmpada não está queimada. Se não estiver, desmonte o interruptor e religue o fio. Nunca se esqueça de que os dois fios paralelos não podem se tocar, senão dá curto-circuito. A ligação de um interruptor é feita apenas com um fio; o outro fio passa direto. Consertando o ferro elétrico Quando o ferro de passar roupa não quer funcionar, você deve verificar primeiramente se o fio ou a tomada não estão com defeito. Use a lâmpada-teste para fazer isso. Se o defeito for dentro do ferro, vá desmontando-o, mas preste muita atenção como as peças estão colocadas. Pode ter algum fio solto lá dentro, ou a resistência pode estar queimada. Se a resistência estiver queimada, leve-a a uma loja es- pecializada em artigos elétricos e compre outra igual. Agora, é só remontar o ferro. Use sempre fita isolante para que as partes metálicas dos fios não encostem umas nas outras. Consertando o interruptor de parede Antes de mexer no interruptor, desligue a chave geral na caixa de luz e tenha sempre um responsável por perto. Tire os parafusos do interruptor, sempre observando a posição das peças.

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Se tiver algum fio solto, é só ligá-lo ao parafuso. Se o defeito for do interruptor, leve-o a uma loja especializada e compre outro igual. Consertando o chuveiro elétrico

Não se esqueça de trabalhar sempre com a chave geral desligada.

Com o chuveiro elétrico, é preciso

muito cuidado para não tomar choque, pois a maioria funciona em uma tensão de 220 V.

Dentro do chuveiro existe um fio

enrolado muitas vezes. É a resistência elétrica.

Antes de desmontar o chuveiro, use a

lâmpada-teste para verificar se os fios estão bem ligados e se está passando corrente.

Repare bem como a resistência está colocada, para substituí-la no mesmo local. Trocando fusíveis Da mesma maneira que você procedeu anteriormente, para trocar os fusíveis ou mexer nos fios de uma lâmpada, desligue antes a chave geral.

Detectando fuga de energia

Para confirmar se existe fuga de energia em suas instalações, desligue todos os aparelhos elétricos, apague todas as luzes e verifique o disco no medidor. Se este continuar girando, estará confirmada a fuga de energia.

Para fazer qualquer serviço de eletricidade, desligue antes a chave geral ou a chave setorial, que corresponde a determinados setores da casa.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Falta de energia Se faltar energia apenas em sua casa, verifique o disjuntor. Se ele estiver desligado, você mesmo pode religá-lo.

Caso ele torne a desligar, é provável que exista defeito em alguma parte das instalações elétricas de sua casa. Procure um eletricista para fazer o conserto.

QUANDO VOCÊ FOR COMPRAR FERRAMENTAS, COMO ALICATES E CHAVES DE FENDA, PREFIRA AQUELAS COM CABOS DE MATERIAL ISOLANTE.

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ECONOMIA ELÉTRICA NO LAR

Televisor

O televisor é um eletrodoméstico utilizado em média de 4 a 5 horas por dia em cada casa. Tem uma potência de 70 a 200 watts. Consome mensalmente entre 10 e 30 kWh. Como economizar

• Não deixe o televisor ligado sem necessidade. • Evite dormir com o televisor ligado.

Torneira elétrica

É um aparelho que consome bastante energia. Acostu- me-se a usá-la só em casos de necessidade. Como economizar

• Evite ligá-la no verão, quando a água não está tão fria.

Geladeira e freezer

Para evitar que sua geladeira e freezer usem mais energia que o necessário, observe com cuidado estas recomendações:

• Instale-os em local bem ventilado, desencostados de paredes ou móveis, fora do alcance dos raios solares e distantes de fontes de calor, como fogões ou estufas.

• Não utilize a parte traseira para secar panos e

roupas. Deixe-a livre e desimpedida.

• Verifique se as borrachas de vedação da porta estão em bom estado. Um modo prático para isso é proceder da seguinte forma:

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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1º - Abra a porta da geladeira ou do freezer e coloque uma folha de papel entre ela e o gabinete. 2º - Feche a porta, fazendo com que a folha fique presa. 3º- Depois, tente retirá-la; se a folha deslizar e sair com facilidade, é sinal de que as borrachas não estão garantindo a vedação. Imediatamente, providencie a substituição das borrachas, pois o aumento da temperatura da geladeira ou do freezer aumenta o consumo de eletricidade.

• Não abra a porta da geladeira ou do freezer sem necessidade. • No inverno, regule-as para uma posição de frio não muito intenso. • Não coloque alimentos ainda quentes na geladeira ou no freezer, para não

exigir um esforço maior do motor. • Não coloque líquidos em recipientes sem tampa na geladeira, pois o

motor, que também age para retirar a umidade interna, será mais exigido e, portanto, gastará mais energia elétrica.

• Não impeça a circulação interna do ar, evitando forrar as prateleiras com tábuas, vidros, plásticos ou quaisquer outros materiais.

• Sua geladeira deve ter a capacidade exata para as necessidades de sua família. Quanto maior a geladeira, maior o consumo de eletricidade.

Ferro elétrico

O ferro elétrico é um equipamento que

funciona através do aquecimento de uma resistência. Conforme o modelo, sua potência varia de 500 a 1 500 watts e é responsável por um consumo mensal entre 10 e 15 kWh. Como economizar

• Oaquecimento do ferro elétrico, várias vezes ao dia, acarreta um desperdício muito grande de energia elétrica. Por isso habitue-se a acumular a maior quantidade possível de roupas, para passá-las todas de uma só vez.

• Com os ferros automáticos, use a temperatura indicada para cada tipo de tecido. Passe primeiro as roupas que requeiram temperaturas mais baixas.

• Quando tiver necessidade de interromper o serviço, não se esqueça de desligar o ferro. Esta medida evitará acidentes e economizará energia elétrica.

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Máquina de lavar roupas

A máquina de lavar roupas é um equipamento que possui um

ciclo de funcionamento com operações de lavagem, enxágue e centrifugação. Tem uma potência variável entre 500 e 1 000 watts e consome de 5 a 10 kWh por mês. Como economizar

• Para você economizar energia e água, procure lavar de uma só vez, a

quantidade máxima de roupa indicada pelo fabricante. • Acostume-se a limpar o filtro da máquina com freqüência. • Utilize somente a dosagem correta de sabão especificada pelo

fabricante, para que você não tenha que repetir a operação enxaguar. •

Iluminação A iluminação é responsável por cerca de 30% do consumo total de uma residência.

Como economizar

• Aproveite a luz solar. Evite acender as lâmpadas durante o dia. • Apague as lâmpadas dos ambientes desocupados. • Nos banheiros, cozinha, lavanderia e garagem instale se possível

lâmpadas fluorescentes, que dão melhor resultado, duram mais e gastam menos energia.

• Uma lâmpada fluorescente de 40 W ilumina mais que uma incandescente de 100 W, e uma fluorescente de 20 W ilumina mais que uma incandescente de 60 W.

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COMO EVITAR ACIDENTES COM A ELETRICIDADE

• Quando você for fazer algum reparo na instalação de sua casa, desligue o disjuntor.

• Muitos aparelhos ligados na mesma tomada aquecem os fios, podendo causar curto-circuitos.

• Fios mal isolados na instalação podem provocar desperdício de energia e incêndio.

• Nunca mexa em aparelhos elétricos com as mãos molhadas ou com os pés em lugares úmidos.

• Ao trocar uma lâmpada, não toque na parte metálica. • Nunca mexa no interior do televisor, mesmo que esteja desligado.

Ele pode ter carga acumulada e provocar choques perigosos. • Não coloque facas, garfos ou qualquer objeto de metal dentro de

aparelhos elétricos ligados. • Não deixe as crianças soltarem papagaios perto de redes elétricas. • Instalar ou reparar antenas de TV parecem tarefas muito fáceis.

Mas muita gente já perdeu a vida fazendo isso. Quando existirem fios elétricos nas proximidades, tenha cuidado! Se a antena tocar nos fios, você corre o risco de ser eletrocutado. Prefira sempre deixar esse serviço para os profissionais especializados.

• Tenha o máximo cuidado com as crianças. Não deixe que mexam em aparelhos elétricos ligados ou que toquem em tomadas e fios até que elas compreendam o perigo.

• Os fusíveis devem ter uma amperagem adequada ao circuito elétrico.

• Se um fusível derreter, desligue a chave imediatamente e procure saber o que houve.

• Somente depois de consertar o defeito, troque o fusível danificado por outro de igual amperagem.

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ELETRICIDADE

CORRENTE ELÉTRICA Consiste em um deslocamento de elétrons através de um fio condutor. Nos metais os elétrons que estão na última órbita se soltam com facilidade e vão passando para os átomos vizinhos. Assim, quando condutores de potenciais diferentes são interligados os elétrons movimentam-se do condutor de menor potencial para o de maior potencial.

A corrente elétrica pode se apresentar sob dois aspectos diferentes, a saber:

- corrente contínua ( CC) - corrente alternada ( CA)

Uma corrente elétrica é considerada contínua quando o movimento ordenado dos elétrons se efetua no mesmo sentido, conforme a figura:

Uma corrente elétrica é considerada alternada quando os elétrons oscilam ordenadamente, ora num, ora em outro sentido. A corrente alternada é mais utilizada do que a corrente contínua, por apresentar melhores vantagens. Em nossas residências usamos com mais freqüência a alternada, enquanto que a contínua está presente nas pilhas, baterias, etc. No S. I. (Sistema Internacional) a unidade de medida de corrente é dadaem ampère (A). 1 ampère significa a passagem por fio condutor, de 1 coulomb em 1 segundo. O miliampère (mA) é um submúltiplo do ampère bastante utilizado nas medidas de correntes. Logo:

1 mA = 1·10-3 A

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Em conseqüência, a intensidade média de corrente é o quociente (a divisão) entre a variação de carga e a variação de tempo: Onde:

Exemplos: A) Se num fio condutor durante 2 minutos, passa uma carga de 1800 C. Qual a intensidade da corrente elétrica que atravessa a secção reta desse condutor? ∆q = 1800 C ∆t = 2 min = 120 s ( Obs.: 1 min = 60 s )

I = t

q

I = 1800 120 I = 15 A B) Determine a quantidade de cargas que passam por um condutor em 12 segundos, sabendo que a corrente elétrica tem intensidade de 2,5 A. ∆t = 12 s I = 2,5 A Use: ∆q = I ·∆t ∆q = 2,5 · 12 ∆q = 30 C

I = t

q

I = corrente em ampères (A)

∆q = variação da carga em coulomb (C)

∆ t = variação do tempo em segundos (s)

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EXERCÍCIOS -Responda em seu caderno:

4. Um condutor é percorrido por uma corrente de 2 A . Isso significa que por uma secção transversal desse condutor, em 1 minuto, passa uma carga em coulombs, de: a) 0,5 b) 2 c) 30 d) 120 DIFERENÇA DE POTENCIAL (d.d.p.): também conhecida como tensão ou voltagem, a d.d.p. se resume no trabalho (τ AB ) realizado pela força elétrica F exercida sobre a carga q que se desloca entre dois pontos A e B. A expressão que define ddp e conseqüentemente trabalho é dada por: No ( S. I. ) a unidade de medida de ddp, é dada em volt (V) em homenagem aoitaliano Alessandro Volta, inventor da pilha. RESISTORES

As ruas da cidade de São Paulo estão congestionadas de pessoas e

veículos, trafegar por elas tem sido um exercício de paciência para todos nós, do mesmo modo acontece com os elétrons quando têm que percorrer um condutor resistivo, esses condutores que dificultam a passagem da corrente elétrica são denominados resistores. Esta dificuldade de movimentação dos elétrons através de um fio condutor, foi constatada pela primeira vez, pelo alemão Georg Ohm, em sua homenagem a unidade de medida de resistência elétrica no ( S.I.) é dada em Ohm ( ).

τ AB = q . (VA-VB)

1 volt (V) = 1 joule ( J ) 1 coulomb ( C )

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1ª Lei de Ohm: mantendo-se constante a temperatura, a corrente elétrica que atravessa um condutor metálico é diretamente proporcional à diferença de potencial ( ddp ) nos terminais do condutor.Logo: Onde:

Através da Lei de Ohm, podemos calcular também a corrente elétrica e a resistência. Veja:

Corrente Resistência RESISTIVIDADE Aresistência elétrica de um fio condutor é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a sua área. No ( S. I. ) resistividade é dada em ohm . metro ( . m). A equação que define resistividade é: Obs.: ρ = letra grega (rô) Essa equação é também chamada de 2 ª Lei de Ohm. Onde:

U = R . I R = resistência. U = d.d.p. ou tensão. I = corrente.

ρ = resistividade R = resistência

l = comprimento do fio A = área de secção transversal do fio

R = A

l⋅ρ

I = U R

R = U I

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Símbolos representativos dos resistores:

O funcionamento dos circuitos elétricos se dá pela combinação dos três elementos da Lei de Ohm: corrente ( I ), resistência ( R ) e diferença de potencial ( U ). Para melhor entender esse funcionamento, vamos agora estudar os valores de resistência elétrica. CÓDIGO DE CORES Para identificar o valor de um resistor que não traz a resistência gravada numericamente sobre o seu corpo, existem dois caminhos; utilizar o código de cores ou um ohmímetro ( aparelho destinado a medida de resistência, normalmente acoplado a um multímetro). A leitura pelo código de cores exige que se conheça o significado das listras coloridas pintadas no corpo de cada resistor como mostrado abaixo: 1ª listra - refere-se ao 1ºalgarismo do valor de resistência. 2ª listra - refere-se ao 2º algarismo do valor de resistência. 3ª listra - refere-se ao valor da potência de base 10 que se multiplica aos dois primeiros. 4ª listra - refere-se ao valor percentual de tolerância, sendo ouro ( 5% ) e prata (10%).

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Fazendo a leitura pelo código de cores do resitor dado acima, temos: 1ª listra vermelha (2) 2ª listra azul (6)3ª listra marrom (1) Logo, o valor do resistor é: 26 . 101 = 260 Ω 4ª listra ouro (5%) com tolerância de 5% podendo medir de 247 Ω até 273 Ω. Você seria capaz de pintar as listras num resistor de 47 Ω com 10% de tolerância?

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES Num circuito elétrico os resistores são combinados, ou melhor, associados de três modos a saber: 1º) Associação em série: dois ou mais resistores estão associados em série quando ligados entre si de modo a permitirem apenas um caminho para a corrente entre os pontos A e B, ou seja,eles possuem a mesma corrente elétrica.

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Veja o exemplo:

O resistor equivalente ou resistência total da associação da figura anterior é dado pelo somatório simples das resistências existentes entre os pontos A e B, através da expressão: Logo, a resistência equivalente do circuito em série dado anterior é:

Rt =R1 + R2 + R3 Rt = 10 + 20 + 30 Rt = 60

Exemplo:

A. Calcule a resistência equivalente e a corrente que circula entre os pontos A e B do circuito da figura abaixo, sabendo-se que entre A e B está ligada uma bateria de automóvel cuja tensão é de 12 V.

Rt = R1 + R2 + R3 + ...

+ Rn

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Solução: Para obter o valor da resistência total:

Rt = R1 + R2 + R3 + R4

Rt = 1 + 2 + 3 + 4 Rt = 10 Ω

Para obter o valor da corrente usamos a seguinte relação: I = U R I = 12 10I = 1,2 A 2º) Associação em paralelo: dois ou mais resistores estão associados em paralelo quando ligados entre si de modo a permitirem dois ou mais caminhos para a corrente, ou seja, possuem geralmente valores diferentes de correntes. Exemplos: A) Ache o resistor equivalente na associação abaixo.

O resistor equivalente da associação acima é dado pelo somatório dos inversos das resistências existentes entre os pontos A e B, através da expressão:

Rt

1 = 1

1

R

+ 2

1

R

+ 3

1

R

+ ... + Rn

1

Obs.: Os números de cima das frações chamam-se numeradores e os números de baixo chamam-se denominadores.

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Rt

1 = 3

1 + 6

1 + 2

1 Primeiro achamos o m.m.c. de 3, 6 e 2 que é 6.

Após acharmos o m.m.c. (6 ), divide-se pelo denominador (o nº de baixo), em seguida multiplica-se pelo numerador ( o número de cima ) em cada uma das frações.

Rt

1 = 6

312 ++

Rt

1 = 6

6

6 · Rt = 6 Rt = 1 Ω Lembre-se, quando há apenas dois resistores ligados em paralelo, ao invés de usar o método da soma dos inversos, podemos aplicar a regra do produto dividido pela soma desses resistores e obter a resistência equivalente com maior rapidez. B) Considere a associação em paralelo, indicada na figura abaixo e calcule a resistência equivalente:

Rt = R1. R2 R1+ R2

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Logo, o cálculo da resistência equivalente para o circuito acima pode ser obtido mais facilmente através da relação:

Veja: Rt = 18 . 12 18+12 Observação importante: nas associações de resistores em paralelo, a resistência equivalente é sempre menor que qualquer uma das resistências que compõem a associação. C)Considere a associação de resistores dada na figura abaixo:

Determine: a) a resistência equivalente entre A e B. b) a queda de tensão nos resistores: R1, R2 e R3. c) a corrente total. d) a corrente que passa por: R1, R2 e R3.

Rt = R1. R2 R1 + R2

Rt = 216 30

Rt = 7,2 Ω

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Soluções: a)

Rt

1 = 10

1 + 10

1 + 5

1 m.m.c. = 10

Rt

1 = 10

211 ++ Rt

1 = 10

4

4Rt = 10 Rt =

4

10

Rt = 2,5 Ω b) Nos circuitos elétricos, dizemos que duas ou mais resistências estão ligadas em paralelo, quando a tensão da fonte está presente integralmente em todas essas resistências. Em conseqüência; R1, R2 e R3 possuem a mesma tensão da fonte, ou seja, 25 V de tensão cada uma. UR1 = 25 V UR2 = 25 V UR3 = 25 V c) Podemos calcular a corrente total através da fórmula: I = U U = 25 V Rt = 2,5 Ω R

I = 5,2

25 I = 10 A

d) Usamos a mesma relação para determinarmos as correntes em cada resistor. Para R1: IR1 = U R1

IR1 = 10

25

IR1 = 2,5 A

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Para R2: IR2 = U R2

IR2 = 10

25

IR2 = 2,5 A Para R3: IR3 = U R3

IR3 = 5

25

IR3 = 5 A 3º) Associação mista: quando uma associação contém resistores ligados em série e paralelo, dizemos que essa associação é mista. Para se obter a resistência equivalente numa associação mista, resolvemos a parte em paralelo primeiramente, em seguida, redesenhamos o circuito unicamente em série. Exemplo: D) Considere o circuito da figura:

No circuito misto dado acima, determine: a) resistência equivalente entre A e B; b) a corrente total que circula entre A e B; c) a queda de tensão nos resistores: RI, R2, R3, R4 e R5; d) a intensidade da corrente que atravessa cada um dos resistores R3 e R4.

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Soluções: a) Primeiro resolvemos o paralelo entre os resistores R3 = 6 Ω e R4 = 12 Ω.

R3 e R4 = 43

4.3

RR

RR

+

R3 e R4 =

126

12.6

+

R3 e R4 = 18

72

R3 e R4 = 4 Ω Redesenhando o circuito, temos:

Como os resistores estão todos em série, a resistência equivalente é: Rt = R1 + R2 + R3 e R4 + R5 Rt = 0,5 + 1,5 + 4 + 5 Rt = 11 Ω b) I = U U = 110 V Rt = 11 Ω Rt I =

11

110

I = 10 A

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c) Para obter a queda de tensão nos resistores R1, R2, R3, R4 e R5, usamos a

Lei de Ohm, combinando os valores de cada resistor com o valor da intensidade de corrente que o atravessa:

ddp em R1 UR1 = R1 · I

U R1 = 0.5 . 10 U R1 = 5 V ddp em R2: UR2 = R2 · I UR2 = 1,5 · 10 UR2 = 15 V ddp em R3 e R4: UR3 e R4 = (R3 e R4) ·I UR3 e R4 = 4 ·10 UR3 e R4 = 40 V

ddp em R5: UR5 = R5 . I UR5 = 5 . 10 UR5 = 50 V d) Como o valor da d.d.p.nos resistores R3 e R4 é comum em ambos por estarem em paralelo, temos que: Corrente em R3: IR3 = UR3 e R4 R3

IR3 = 6

40

IR3 = 6,7 A

R1 = 0,5 Ω I = 10 A

R2 = 1,5 Ω

R3 e R4 = 4 Ω

R5 = 5 Ω

UR3 e R4 = 40 V R3 = 6 Ω

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Corrente em R4: IR4 = UR3 e R4 R4

IR4 = 12

40

IR4 = 3,3 A

EXERCÍCIOS -Responda em seu caderno: 5. A resistência equivalente à associação da figura, em ohms, é de: a) 2 b) 3 c) 6 d) 9 6. No circuito abaixo a corrente que passa pelo ponto P, em ampères é de: a) 0 b) 2 c) 3 d) 6 Lembre-se: Diz-se que dois pontos de um circuito estão em curto-circuito, quando estão ligados por um fio condutor de resistência nula ou desprezível. Se um fio de resistência nula ou desprezível for ligado a um aparelho em funcionamento, toda a corrente será desviada por ele, caracterizando assim um curto-circuito.

R4 = 12 Ω

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Observe na figura abaixo, uma lâmpada ligada a uma bateria e a chave A aberta.

Ao fechar-se a chave A, um curto-circuito será estabelecido e a lâmpada se apagará. Não haverá mais ddp entre os pontos e toda corrente vai passar pela chave A aquecendo o fio.

Lembre-se: quando se estabelece um curto-circuito num aparelho ele deixa de funcionar, pois sua resistência interna fica anulada.

POTÊNCIA ELÉTRICA Podemos definir potência como sendo a maior ou menor rapidez com que um trabalho é realizado na unidade de tempo. Onde: No ( S. I. ), potência é dada em watt (W ) em homenagem a James Watt, um dos construtores da máquina a vapor. Logo, 1 watt é a energia de 1 joule transformada em 1 segundo.

P = potência trabalho = چ ∆ t = variação do tempo

1W = s

J

1

1

P = چ ∆ t

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Um múltiplo do watt é o quilowatt ( kW ). Outras equações usadas para cálculo de potência, derivadas da Lei de Ohm: 1ª) Onde: 2ª) Onde: 3ª) Onde:

Lembre-se: quando se diz que uma lâmpada é de 100 W, significa que quando ligada ela absorve uma energia de 100 J em cada segundo. Quilowatt-hora: a Piratininga cobra dos consumidores de energia elétrica com base na unidade quilowatt-hora. O cálculo é feito multiplicando-se a potência consumida pela unidade de tempo. Assim, em unidades do (S. I.)1kWh = 1000

W . 3600 s, o que significa 3,6 . 10 6 W.s ou 3,6 . 10 6 J.

P = U . I P = potência U = d.d.p. ou tensão I = corrente

P = R . I 2 P = potência R = resistência I = corrente

P = R

U 2

P = potência U = d.d.p. ou tensão R = resistência

1kW = 1000 W

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Exemplos: A) Um chuveiro elétrico, alimentado com uma tensão de 220 V, consome uma potência de 1650W. Determine: a) a intensidade da corrente. b) a energia consumida durante um banho de 30 min ( 0,5 h ). Soluções: a) P = U . I I = P U I = 1650 220

b) E = P . ∆ t E = 1650 · 0,5 E = 825 Wh Como o consumo de energia geralmente é medido em kWh, devemos dividir o resultado por 1000, daí, temos:

E = 825 1000

B)Um eletrodoméstico ligado a uma tomada de 110V é percorrido por uma corrente de 10 A de intensidade. Qual é a potência elétrica consumida por esse eletrodoméstico ?

Fórmula: P = U . I P = 110 . 10 P = 1100W

P = 1650 W U = 220 V

I = 7,5 A

∆ t = 0,5 h

E = 0,825 kwh

U = 110 V I = 10 A

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C)Qual é a potência elétrica dissipada por um resistor de 470 Ω submetido a uma corrente elétrica de l0 A?

Fórmula: P = R . I 2

P = 470 . 10 2 P = 470 . 100 P = 47000 W ( dividindo por 1000 ) P = 47 KW D) Um ferro de passar roupas possui uma resistência interna de 22 Ω, ao ser ligado a uma tomada de 110V, qual será o valor da potência dissipada? Fórmula: P = U 2 R P = 110 2 22 P = 12100 22 P = 550 W EXERCÍCIOS -Responda em seu caderno:

7. Um aquecedor elétrico tem uma resistência de 88 Ω quando em funcionamento, ligado a uma tensão de 220V. Nessas condições, esse aquecedor dissipa uma potência, em watts, de: Use: P = U 2 R a) 2,5 b) 275 c) 550 d) 19360

R = 470 Ω I = 10 A

U = 110 V R = 22 Ω

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GERADORES

Os dispositivos que transformam em energia elétrica outros tipos de energia são denominados geradores. Partindo de vários tipos de energia; como por exemplo: mecânica, química, térmica, etc. o gerador mantém uma ddp entre dois pontos. Entretanto, a potência gerada por esse dispositivo, não é aproveitada totalmente, parte dela, é dissipada pelo próprio gerador. Assim, a potência gerada é a potência dissipada somada a potência útil. Equação do gerador: Onde: Exemplos: A)Calcule a d.d.p. nos terminais de um gerador, cuja resistência interna vale 0,5 Ω, a corrente tem intensidade de 20A e consegue gerar uma f.e.m. de 50 V. E = 50 V r = 0,5 Ω I = 20 A

Fórmula: U = E – r . i

U = 50 – 0,5.20 Obs.: primeiro multiplicamos os números 0,5 .20 = 10

U = 50 – 10U = 40V

U = E – r . i

U = tensão nos terminais do gerador E = d.d.p. total gerada que recebe o nome de força eletromotriz (f.e.m.) r = resistência interna do gerador i = corrente

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B)Qual dos dispositivos abaixo pode ser considerado um gerador? a) pilha b) dínamo c) bateria d) todos são geradores A resposta correta é a alternativa d.

RECEPTORES São dispositivos que recebem energia elétrica dos geradores e transformam essa energia em outras modalidades. Os motores elétricos são exemplos de receptores que transformam energia elétrica em mecânica. Equação do receptor: Onde: Exemplos: A) Uma lâmpada pode ser considerada um receptor? Por quê?

Sim, porque recebe energia elétrica e transforma em energia radiante.

B) Calcule a d.d.p. nos terminais de um receptor, cuja resistência vale 0,5 Ω, a corrente tem intensidade de 20 A, gerando uma f.c.e.m. de 60 V.

U = E + r . i U = 60 + 0,5 · 20 U = 60 + 10 U = 70 V

U = E + r . i

U = d.d.p. dos terminais E = d.d.p. aproveitada, recebe o nome de força contra- eletromotriz (f.c.e.m.) r = resistência interna i = corrente

E = 60 V r = 0,5 Ω I = 20 A

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EXERCÍCIOS – Resolva em seu caderno:

8. Numa lâmpada, estão impressos os seguintes valores: 127 V e 60 W. Eles se referem, respectivamente, a: a) carga elétrica e a corrente b) potência e a corrente

c) corrente e a d.d.p. (diferença de potencial) d ) d.d.p .(diferença de potencial) e potência 9. Um chuveiro elétrico dissipa 2200W quando submetido a uma diferença de potencial de 220V. Pode-se afirmar que: a) a resistência elétrica do chuveiro é de 10 Ω b) a corrente elétrica que passa pela resistência é de l0 A c) a resistência elétrica do chuveiro é de 0,0045 Ω d) a corrente elétrica consumida pelo chuveiro é de 1 A

GABARITO DE FÍSICA

MÓDULO 11

Exercício 1: O consumo é de 60 kwh/mês Exercício 2: O consumo é de 7,5 kwh/mês Exercício 3: O consumo é de 54 kwh/mês Exercício 4: Letra - d – ∆q = 120C Exercício 5: Letra - a Exercício 6: Letra – b – I=2A

Exercício 7: P = 550W Exercício 8: Letra - d Exercício 9: Letra - b

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MÓDULO 12

ELETROMAGNETISMO A constatação, no início do século XIX, de que os fenômenos

magnéticos são causados por cargas elétricas em movimento conduziu a uma profunda alteração nas bases da Física. Essa unificação dos fenômenos elétricos e magnéticos, até então considerados como tendo origens diferentes, fez surgir um novo ramo de conhecimento, hoje denominado eletromagnetismo.

MAGNETISMO As primeiras observações de fenômenos magnéticos Certamente, em várias ocasiões, você já teve um ímã em suas mãos e, brincando com ele, pôde perceber algumas de suas propriedades. Observações semelhantes a essas vêm sendo feitas há muito tempo, pois as primeiras referências a elas foram registradas pelos historiadores há mais de 2000 anos. Tudo leva a crer que os primeiros ímãs de que se tem notícia foram encontrados na Ásia, em um distrito da Grécia antiga, denominado Magnésia (veja figura abaixo). O nome dessa região deu origem ao termo magnetismo, usado para designar o estudo dos fenômenos relacionados com as propriedades dos ímãs.

J

Região onde, supõe-se, foram observados os primeiros fenômenos magnéticos.

Sabe-se atualmente que os primeiros ímãs encontrados, denominados ímãs naturais, eram constituídos por um minério hoje conhecido como magnetita. Desde aquela época, foi possível observar que um pedaço de ferro, colocado próximo ao ímã:

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• era atraído por ele; • adquiria as mesmas propriedades do ímã, passando a atrair outros

pedaços de ferro. Na vida moderna, são amplamente utilizados ímãs fabricados artificialmente.

O que são os pólos de um ímã?

Quando um ímã é aproximado de pequenos objetos de ferro, como pregos, alfinetes ou limalha (partículas ou pó de ferro), observa-se que a atração dele sobre esses objetos é mais intensa em certas partes, que são denominadas pólos do ímã. Um ímã em forma de barra tem os pólos situados em suas extremidades (fig. abaixo) e, se ele tiver a forma da letra U, os pólos se localizam nas extremidades do U (figura ao lado).

Suspendendo-se um ímã em forma de barra, de modo que possa girar livremente em torno de seu centro, observa-se que ele se orienta sempre ao longo de uma mesma direção. Essa direção coincide aproximadamente com a direção norte-sul da Terra (figura ao lado), de modo que um dos pólos do ímã aponta aproximadamente para o norte geográfico e o outro pólo, para o sul geográfico.

Por esse motivo, os pólos de um ímã recebem as seguintes denominações:

Observe onde estão localizados os pólos do ímã.

A limalha de ferro é atraída mais fortemente pelas extremidades do ímã dessa barra. Essas extremidades são os pólos do ímã.

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A propriedade dos ímãs se orientarem ao longo da direção norte-sul é

usada na construção de bússolas, que servem como instrumento de orientação de navios, aviões, etc., em viagens na superfície terrestre (este instrumento já era utilizado pelos chineses há mais de 1000 anos).

A bússola é constituída essencialmente por um

pequeno ímã, em forma de agulha, apoiado de modo a poder girar livremente em torno de seu centro (figura ao lado). O pólo norte magnético da agulha (designado por N) é aquele que aponta para o norte geográfico, e seu pólo sul magnético (designado por S) é o que aponta para o sul geográfico.

Forças de interação entre os pólos dos ímãs

Um fato que pode ser observado facilmente está mostrado na figura abaixo – parte a: ao tentarmos aproximar o pólo norte de um ímã do pólo norte de outro ímã, notamos que há uma força magnética de repulsão entre eles. As forças magnéticas se manifestam a distância, isto é, sem que haja necessidade de contato entre os dois pólos. Do mesmo modo, podemos observar que há também uma força de repulsão entre os dois pólos sul dos ímãs. Por outro lado, observe na figura – parte b, entre o pólo norte de um ímã e o pólo sul de outro há uma força de atração.

Pólo norte de um ímã é sua extremidade que aponta para a região norte geográfica da Terra (quando o ímã pode girar livremente); a extremidade que aponta para a região sul geográfica da Terra é o pólo sul do ímã.

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Em resumo:

A Terra se comporta como um grande ímã Durante muito tempo, procurou-se uma explicação para o fato de um ímã suspenso livremente, na superfície da Terra, tomar sempre a orientação norte-sul. Os cientistas, a partir do século XVII, chegaram à conclusão de que isso ocorre porque a Terra se comporta como um grande ímã. Os pólos do ímã-Terra estão localizados próximos aos pólos geográficos da Terra, pois é para essas regiões que são atraídos os pólos de qualquer agulha magnética. Como são os pólos magnéticos de nomes contrários que se atraem, podemos chegar às seguintes conclusões:

• o pólo magnético norte da agulha é atraído pelo norte geográfico. Então, o pólo norte geográfico é o pólo sul magnético do ímã-Terra (figura acima);

• o pólo magnético sul da agulha é atraído pelo sul geográfico. Então, o pólo sul geográfico é o pólo norte magnético do ímã- Terra.

Portanto, para efeitos magnéticos, podemos imaginar a Terra representada por

um grande ímã, isto é:

O que é campo magnético?

Se várias agulhas magnéticas forem distribuídas em diferentes pontos do espaço em torno de um ímã, cada uma delas se orientará ao longo de uma direção bem determinada, em virtude da ação das forças magnéticas que o ímã exerce sobre a agulha. Na próxima figura, esse fato está mostrado com algumas

PÓLOS MAGNÉTICOS DE MESMO NOME SE REPELEM E PÓLOS MAGNÉTICOS DE NOMES CONTRÁRIOS SE ATRAEM.

A Terra se comporta como um grande ímã, cujo pólo norte magnético está localizado na região sul geográfica e cujo pólo sul magnético está localizado na região norte geográfica.

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agulhas magnéticas colocadas nas proximidades de um ímã em forma de barra. Como o ímã tem essa propriedade de orientar as agulhas, dizemos que ele cria um campo magnético no espaço em torno dele. Uma carga elétrica cria um campo elétrico no espaço em torno dela, e a presença desse campo pode ser evidenciada pela força elétrica exercida sobre uma pequena carga de prova q colocada em qualquer ponto desse espaço.

Portanto:

Essa orientação é devida à ação de forças magnéticas que o ímã exerce sobre a agulha. Linhas de indução Para visualizar o campo magnético, costuma-se traçar, na região onde ele existe, um conjunto de linhas, denominadas linhas de indução do campo magnético (de maneira semelhante, no estudo do campo elétrico traçamos as linhas de força para visualizar esse campo). Convenciona-se que:

Na figura ao lado, estão mostradas algumas

linhas de indução do campo magnético criado por um ímã em forma de barra. Observe que, nos pontos onde foram colocadas agulhas magnéticas, a direção delas coincide com a da linha de indução que passa por aqueles pontos. Observe, ainda, que o sentido dessas linhas está de acordo com a convenção que acabamos de destacar e que, nas proximidades dos pólos, onde o campo magnético é mais intenso, as linhas estão mais próximas umas das outras.

Um ímã cria no espaço em torno dele um campo magnético, e a existência desse campo é comprovada pelo fato de uma agulha magnética se orientar quando colocada em qualquer ponto desse espaço.

As linhas de indução de um campo magnético são traçadas de tal modo que, em cada ponto, sua direção coincida com a direção tomada pela agulha magnética ali colocada, e seu sentido seja aquele para onde aponta o pólo norte da agulha.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Podemos “materializar” as linhas de indução da seguinte maneira: • limalhas de ferro são espalhadas em uma placa de vidro apoiada sobre o

ímã; • cada limalha se comporta como uma pequena agulha magnética que se

orienta na direção das linhas de indução; • dessa maneira, as limalhas, como um todo, adquirem uma configuração

que concretiza as linhas de indução no plano da placa de vidro. Esta configuração costuma ser denominada espectro magnético do ímã.

O campo magnético terrestre

A Terra se comporta como um grande ímã. Então, no espaço em torno dela, existe um campo magnético, denominado campo magnético terrestre”. Na figura, estão representadas algumas linhas de indução desse campo magnético, no qual todos nós estamos “mergulhados” e que é o responsável pela orientação das agulhas magnéticas das bússolas.

Os cientistas, durante muitos anos, vêm procurando uma explicação para a existência do campo magnético terrestre. Presume-se, atualmente, que ele tenha sua origem em correntes elétricas estabelecidas no núcleo metálico líquido presente na parte central da Terra (correntes elétricas criam campos magnéticos no espaço em torno delas).

Uma teoria bem fundamentada sobre esse assunto não foi ainda formulada, havendo muitas dúvidas a serem esclarecidas. É interessante ressaltar que um dos primeiros fenômenos magnéticos observados (o magnetismo terrestre) não está, até hoje, completamente entendido, apesar dos grandes avanços da ciência moderna. O que é uma onda eletromagnética?

As músicas, as notícias, etc., recebidas em um rádio ou em um televisor são emitidas pela antena da estação emissora e propagam-se através do espaço, sendo, então, captadas pelas antenas desses aparelhos. Esses processos são relativamente novos, pois só foram desenvolvidos no século XX. Por isso, muitas pessoas não conseguem entender como essas transmissões são possíveis sem que haja necessidade de uma ligação material (um fio, por exemplo) entre as duas antenas.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Analisando o que está se passando em cada antena e no espaço entre elas,

podemos ter uma idéia de como isso ocorre: • a antena emissora é ligada a circuitos especiais, que fazem com que os

elétrons livres dessa antena entrem em oscilação com grande freqüência. A antena é uma haste metálica, colocada verticalmente no alto de uma torre, e os elétrons oscilam para cima e para baixo nesta haste;

• na segunda metade do século XIX, o grande físico escocês James C.

Maxwell mostrou teoricamente que, quando uma carga elétrica está em oscilação (acelerada e desacelerada), como ocorre com os elétrons da antena, dá origem a campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço, a partir da carga, irradiando-se em todas as direções e podendo alcançar grandes distâncias.

Maxwell mostrou que esses campos, ao se propagarem, sofrem reflexões, refrações e difrações, isto é, se comportam como uma onda. Não se trata, contudo, de uma onda mecânica (como a onda sonora), pois as grandezas que oscilam são campos elétricos e magnéticos, que podem se propagar mesmo no vácuo. Por esta razão, esses campos se propagando receberam a denominação de onda eletromagnética. Portanto, no espaço entre duas antenas, temos a propagação de uma onda eletromagnética que foi gerada na antena emissora. Ao atingir a antena receptora, a onda eletromagnética coloca elétrons livres dessa antena em oscilação, com a mesma freqüência dos elétrons da antena emissora. Circuitos também especiais no aparelho receptor, ligados à antena, transformam essas oscilações elétricas em ondas sonoras (música, notícias, etc.), iguais àquelas que deram origem à onda eletromagnética emitida pela estação. Todas as idéias propostas por Maxwell, sobre a existência das ondas eletromagnéticas e suas propriedades, foram confirmadas experimentalmente, dando origem a um enorme e importante campo do conhecimento científico e tecnológico.

Quem foi James Clerk Maxwell? (1831-1879) - Físico escocês, cuja importância no estudo da eletricidade e do magnetismo é comparada àquela que Newton teve na mecânica, em virtude do caráter fundamental das leis que estabeleceu. Foi no campo do eletromagnetismo que seus trabalhos tiveram maior realce, devendo-se destacar a previsão da exis- tência das ondas eletromagnéticas e um dos triunfos desta teoria: o estabelecimento da natureza eletromagnética da luz.

Apostila 3 3ª Série FÍSICA - CEESVO

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Em resumo, temos:

A luz é uma onda eletromagnética Um dos resultados de maior importância obtidos por Maxwell, a partir de sua teoria sobre as ondas eletromagnéticas, foi a determinação do valor da velocidade de propagação dessas ondas. Ele conseguiu deduzir que, no vácuo (ou no ar), uma onda eletromagnética deveria se propagar com a seguinte velocidade: v = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s

Como naquela época a velocidade da luz no ar já havia sido determinada experimentalmente com boa precisão, Maxwell percebeu, com grande surpresa, que:

A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética coincidia com a velocidade da luz.

Esta constatação levou o cientista a propor a seguinte idéia: A luz deve ser uma onda eletromagnética. Com esta proposta, Maxwell estava respondendo à grande indagação dos físicos do século XIX, pois, embora a natureza ondulatória da luz jáestivesse bem estabelecida, não estava ainda definido qual era esse tipo de onda. Uma série de experiências realizadas no final do século XIX e início do século XX confirmou que a hipótese de Maxwell era verdadeira. Dessa maneira, os fenômenos óticos passaram a ser vistos como tendo origem eletromagnética. Em outras palavras, a óptica tornou-se um ramo da eletricidade, isto é, houve uma unificação desses dois grandes ramos da física, até então estudados independentemente um do outro.

Sempre que uma carga elétrica é acelerada (por exemplo, colocada em oscilação) ela emite ou irradia uma onda eletromagnética, isto é, campos elétricos e magnéticos oscilantes, que se propagam no espaço, apresentando todas as propriedades de um movimento ondulatório.

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Resumindo:

O espectro eletromagnético A radiação eletromagnética, cuja emissão, propagação e recepção estão ilustradas na figura ao lado, é um tipo de onda eletromagnética denominada onda de rádio. Atualmente são conhecidos vários outros tipos de ondas eletromagnéticas, que foram sendo descobertas e estudadas depois da comprovação das idéias de Maxwell.

Deve-se salientar que todas essas ondas têm a mesma natureza: são geradas por cargas elétricas aceleradas (por exemplo, em oscilação) e constituídas por campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço. Elas diferem entre si basicamente pelo valor da freqüência correspondente a cada tipo, o qual recebe uma denominação especial: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz (radiações visíveis), radiação ultravioleta, raios X e raios gama. O conjunto de todas essas ondas constitui o espectro eletromagnético. Veja figura abaixo:

Ao calcular a propagação de uma onda eletromagnética, Maxwell encontrou um resultado igual à velocidade da luz. Este fato levou-o a propor a idéia de que a luz deveria ser uma onda eletromagnética. Experiências posteriores confirmaram a hipótese de Maxwell, unificando a óptica e a eletricidade.

Os diversos tiposde ondas eletromagnéticas conhecidas constituem o espectro eletromagnético.

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Todas as ondas desse espectro se propagam, no vácuo, com a mesma

velocidade e a relação analisada no estudo do movimento ondulatório, pode ser usada também para qualquer um desses tipos de ondas.

f

v

Veremos a seguir, as principais propriedades específicas das diversas ondas

componentes do espectro eletromagnético. Ondas de rádio

As ondas de rádio, são as componentes do espectro eletromagnético que possuem as freqüências mais baixas e, conseqüentemente, os valores mais elevados do comprimento de onda λ (lembre-se de que c tem o mesmo valor para todas as ondas).

Observe, na figura da página anterior, as ondas de rádio chegam até cerca de 108 hertz (cem milhões de vibrações por segundo!). Cada emissora de rádio coloca, no espaço, uma onda com freqüência própria. Assim, quando dizemos, na linguagem popular, que “a freqüência da emissora X é 900 000 hertz”, isto significa que todas as informações dessa emissora são transportadas por uma onda eletromagnética com essa freqüência.

Observe, na mesma figura, que as ondas de TV são consideradas ondas de rádio, pois podem também ser produzidas por circuitos elétricos especiais, ligados a uma antena emissora. Elas possuem, entretanto, freqüências mais elevadas que as ondas usadas pelas estações de rádio. Microondas

A região seguinte do espectro eletromagnético é constituída por ondas de freqüência entre, aproximadamente, 108 hertz e 1011 hertz, denominadas microondas, porque possuemcom- primentos de onda pequenos (em comparação com as ondas de rádio).

As aplicações tecnológicas das microondas, muito

relacionadas com nossa vida diária, são: • em telecomunicações, para transportar os

sinais de TV ou de telefone. Isto é feito instalando-se, entre as torres de emissão e de recepção, várias estações

Onde: λ= Comprimento da onda v =Velocidade da onda f= Freqüência da onda

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repetidoras (figura ). As microondas, propagando-se em linha reta, passam de uma repetidora para a seguinte, levando as imagens de TV ou as conversações telefônicas até seu destino;

• nos fornos de microondas, usados atualmente para cozinhar e aquecer alimentos. Isto ocorre porque as microondas são absorvidas pelas moléculas de água existentes nesses alimentos, aumentando sua agitação térmica, isto é, elevando a temperatura da substância (veja a próxima figura e leia as informações fornecidas).

O forno de microondas é uma aplicação muito difundida desse tipo de radiação eletromagnética. Radiação visível

As idéias de Maxwell sobre a natureza eletromagnética da luz foram amplamente confirmadas pela experiência. Sabemos atualmente que:

• as ondas eletromagnéticas visíveis, isto é, que são capazes de estimular nossa visão, estão situadas em uma faixa muito estreita do espectro eletromagnético (entre aproximadamente 4 x 1014 hertz e 7 x

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1014 hertz). Isto significa que somos “cegos” para a grande maioria das ondas do espectro eletromagnético;

• as diferentes cores que percebemos no espectro da luz branca (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta) correspondem a valores crescentes das freqüências situadas na faixa mencionada. Portanto, a cor vermelha corresponde à menor freqüência visível (cerca de 4 x 1014 hertz) e a cor violeta, à maior dessas freqüências (aproximadamente 7 x 1014 hertz);

• as radiações visíveis não podem ser produzidas com circuitos eletrônicos especiais (isto acontece com as ondas de rádio e microondas). Elas são geradas pelas cargas elétricas existentes nos átomos e nas moléculas das substâncias que emitem luz, como um pedaço de papel ao se queimar ou o filamento de uma lâmpada acesa.

EXEMPLO:

Determine os valores, no ar, dos comprimentos de onda correspondentes às cores vermelha e violeta. A) Cor vermelha

m

f

v

6

14

8

1075,0

104

103

−⋅=

⋅ =

=

λ

λ

λ

EXERCÍCIO - Resolva em seu caderno:

1) Calcule o comprimento da cor violeta, cuja freqüência é 7 . 1014 Hz e a velocidade v = 3 . 108 m/s. EXEMPLO:

B) O comprimento de uma onda é de λ = 3. 103 m e sua freqüência é de 3.106Hz, calcule a velocidade de propagação dessa onda?

smv

v

fv

/109

103103 9

63

⋅=

⋅⋅⋅=

⋅= λ

Dados:

v = 3.108 m/s f= 4.1014 Hz (frequência da luz vermelha)

Dados:

λ = 3.103 m f= 3.106 Hz

Observação: Na divisão de expoentes de mesma base conserva-se a base e subtrai os expoentes. Exemplo. 108-14 = 10-6

Observação: Na multiplicação de expoentes de mesma base conserva-se a base e soma os expoentes. Exemplo. 103+6 = 109

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EXERCÍCIO:

2) Se o comprimento de uma onda é de λ = 2 . 102m e sua freqüência 2 . 1010 Hz, calcule a velocidade de propagação dessa onda. EXEMPLO: C) Determine a frequência da cor amarela, sabendo-se que seu comprimento é

6.10-9m e sua velocidade é de 3.108 m/s.

Hzf

f

v f

17

9

8

105,0

106

103

⋅=

⋅ =

=

λ

EXERCÍCIO:

3) Qual a freqüência da cor amarela, sabendo-se que seu comprimento 6 . 10-7m e velocidade 3 .108 m/s. Radiação infravermelha e ultravioleta

As ondas eletromagnéticas com freqüências imediatamente inferiores à da luz vermelha são denominadas radiações infravermelhas, e aquelas cujas freqüências são imediatamente superiores à da luz violeta são chamadas radiações ultravioleta (figura da pág. 9 ).

Podemos destacar as seguintes propriedades desses tipos de ondas: • as radiações infravermelhas são emitidas por qualquer objeto a uma

determinada temperatura, sendo que quanto mais aquecido estiver o objeto, mais intensa é a emissão. Assim, o nosso corpo, um ferro elétrico de passar roupa em funcionamento, o Sol, etc., são emissores deste tipo de radiação. Ao receber as radiações infravermelhas, um corpo se aquece; por isso, elas são usadas em fisioterapia para aquecer músculos contundidos, reduzindo o tempo necessário para sua recuperação (veja a figura abaixo e leia as informações da legenda);

a) O ferro elétrico foi fotografado em uma sala totalmente escurecida, usando um filme sensível a radiações infravermelhos emitidas por ele.

Dados:

v = 3.108 m/s λ= 6.10-9 m

Observação: Na divisão de expoentes de mesma base conserva-se a base e subtrai os expoentes. Exemplo. 108-(-9) = 1017 Respeitando a regra de sinais na divisão, sinais iguais soma.

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b) A foto foi obtida por um dispositivo capaz de captar os raios infravermelhos emitidos pelas diversas partes da casa e transformá-los em radiações visíveis. As cores correspondem a radiações de diversas freqüências, emitidas por partes da casa que apresentam diferentes temperaturas.

• do mesmo modo que a luz visível, as radiações ultravioletas são

emitidas pelas partículas eletrizadas existentes nos átomos das substâncias, como ocorre nas lâmpadas de vapor de mercúrio. Nas lâmpadas fluorescentes, o mercúrio existente no interior do tubo, recebendo energia elétrica, emite raios ultravioleta, que são invisíveis. Essa radiação, incidindo sobre a substância que reveste internamente a parede do tubo, provoca fluorescência desta substância, que então emite a luz (visível) que percebemos.

O Sol é a fonte dos raios ultravioleta que recebemos diariamente. Essas radiações podem ter efeitos benéficos para nosso organismo, mas podem, também, causar danos a ele. De fato, os raios ultravioleta, absorvidos por nossa pele, tornam possível a produção de vitamina D, que auxilia nosso organismo a obter cálcio dos alimentos. Por outro lado, são eles os responsáveis pelo bronzeamento da pele exposta ao sol, mas exposições prolongadas podem causar queimaduras dolorosas (e até câncer da pele). Como foi verificado que a radiação ultravioleta é capaz de destruir bactérias, lâmpadas que emitem essa radiação são usadas na esterilização de instrumentos, objetos e em dependências de hospitais, restaurantes, salões de beleza e, até mesmo, em sistemas de ar-condicionado. Raios X e raios gama Como você pode ver na figura da pág. 9, os raios X e os raios gama estão localizados no extremo do espectro eletromagnético, correspondente às mais altas freqüências e, portanto, aos menores valores dos comprimentos de onda.

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Observe que as faixas de freqüência dessas radiações são extremamente elevadas: em torno de 1019 hertz para os raios X e superiores a 1021hertz para os raios gama. Os principais usos e propriedades dessas duas radiações são analisados a seguir. • Os raios X foram descobertos acidentalmente em 1895 pelo físico alemão W. Röntgen, que usou esta denominação por não conhecer a natureza das radiações que havia descoberto (raios X = raios desconhecidos). Na figura ao lado, está representado esquematicamente um tubo usado na produção de raios X: elétrons emitidos pelo cátodo são acelerados por voltagens muito elevadas e colidem contra o ânodo, sendo, portanto, desacelerados; assim, emitem essa radiação eletromagnética. Também está ilustrado, o uso mais conhecido dos raios X, que é a obtenção de radiografias. O feixe emitido pelo tubo passa através de uma parte do corpo do paciente e incide em uma chapa fotográfica especial (sensível aos raios X). Como essa radiação é absorvida em maior quantidade pelos ossos do

que pelos músculos, a parte do filme correspondente aos ossos receberá menor quantidade de raios X. Em virtude disso, a forma dos ossos aparece nitidamente na chapa (figura ).

Quando o núcleo de uma substância radioativa se

desintegra, em geral emite três tipos de radiações,

denominadas α (alfa), β (beta) e γ (gama), como mostra a figura. Os cientistas verificaram que as

radiações α (núcleo do hélio) e β (elétrons) são partículas. As radiações gama, entretanto, não são partículas, tratando-se de uma radiação eletromagnética de altíssima freqüência. O poder de penetração na matéria de cada uma dessas radiações está ilustrado na figura(pág. 16). Os raios gama são

Em uma radiografia, as partes mais claras correspondem aos ossos e as mais escuras, aos músculos da parte do corpo que está sendo radiografada.

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sempre considerados muito perigosos para o ser humano, porque podem causar câncer em nosso organismo.

Em certas situações, como na explosão de uma bomba atômica ou em acidentes com reatores nucleares (a exemplo de Chernobyl, na ex- URSS), as grandes intensidades de radiações gama emitidas em todas as direções trans- formam esses fatos em verdadeiras catástrofes para as pessoas e para o meio ambiente atingidos!

Para chamar a atenção sobre a presença, em

determinado local, de material radioativo em geral, alertando para o perigo que eles representam, é usado o símbolo universal mostrado na figura ao lado. Deve-se observar, entretanto, que os raios gama podem ser usados para tratar pacientes cancerosos, pois, apesar de serem prejudiciais ao tecido sadio, eles causam danos ainda maiores ao tecido canceroso (veja a figura e leia as informações).

No tratamento de um tumor cancerígeno, usando

raios gama, a parte do aparelho que emite essas

radiações gira, descrevendo um círculo, no centro

do qual fica localizado o tumor. Desta maneira, a

maior quantidade de radiação incide sobre o

tumor, e as demais partes do corpo do paciente

são pouco atingidas por ela.

O que é raio laser? O termo laser é usado para designar um tipo muito especial de luz (radiações

visíveis), que a cada dia encontra maior número de aplicações na ciência e nas tecnologias modernas.

A figura ilustra o poder de penetração das radiações alfa, beta e gama. Observe que as radiações gama são muito mais penetrantes que as outras duas.

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Esse termo é uma sigla formada pelas iniciais das seguintes palavras inglesas:

light amplification by stimulated emission of radiation, que podemos traduzir da seguinte maneira:

“Amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”.

Esta frase é uma indicação de duas características fundamentais do laser:

• trata-se de uma luz muito amplificada, concentrada em feixes de pequena espessura e praticamente paralelos (figura ). Por isso, a luz de um laser é muitíssimas vezes mais intensa que a luz comum;

• a expressão “emissão estimulada” indica que o laser tem origem em um processo especial, que ocorre nos átomos da substância emissora e que você poderá estudar em cursos de Física mais avançados.

Podemos, ainda, destacar as seguintes

propriedades dessas radiações: • a luz do laser é praticamente monocromática, pois é constituída de

radiações que apresentam uma única freqüência, de valor bem determinado (com a luz comum não se consegue obter um feixe com uma freqüência única), ou seja, ela nunca é perfeitamente monocromática (figura) ;

• a luz do laser é coerente. Paraentender o que isto significa, considere a figura ao lado: em (a) está representado um feixe de luz monocromática “não-coerente”, isto é, as cristas e vales das diversas radiações que constituem o feixe não coincidem umas com as outras (as vibrações dos componentes do feixe não são “sincronizadas”). Em (b), representamos um feixe “coerente”, como são os do raio laser: observe que há uma coincidência entre as cristas e os vales, que é mantida enquanto o feixe se propaga (essa propriedade contribui para elevar a intensidade do feixe de laser).

Feixes de raios laser emitidos por aparelhos que utilizam substâncias diferentes. A cor do laser depende da substância utilizada. Por exemplo, um laser de néon emite luz vermelha, um de criptônio emite luz verde, etc.

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São apresentadas, a seguir, algumas das principais aplicações dos raios laser

em nossa vida diária, na medicina, na ciência e na tecnologia em geral:

• leitura do código universal de produtos, para conferir preços de mercadorias em supermercados (figura );

• em telecomunicações, utilizando cabos de fibra óptica, para transportar sinais de TV e de telefone;

• para soldar e cortar metais; • para medir, com precisão, distâncias

muito grandes, como a distância da Terra à Lua;

• para furar orifícios muito pequenos e bem definidos, em substâncias duras;

• em compact discs (CDs) e vídeo-discos, para reprodução com altíssima fidelidade e sem ruídos de sons e imagens;

• na holografia, para obtenção de fotografias tridimensionais de um objeto (hologramas);

• na medicina, em cirurgias, substituindo os bisturis, na endoscopia e para “soldar” retinas descoladas.

As aplicações do laser vêm se tornando tão amplas e diversificadas que seria praticamente impossível relacionar todas elas. O quarto estado da matéria

Para muitos, só existem três estados físicos da matéria (sólido, líquido e gasoso), e pronto. Isso não é verdade. De acordo com as teorias contemporâneas, estão previstos outros estados. Até o momento, os cientistas só descobriram quatro, sendo o quarto chamado de plasma (não tem nada a ver com plasma sangüíneo).

Este diagrama representa, por meio de um “código de barras”, o preço de uma mercadoria. Sua leitura é feita por meio de um aparelho que usa raios laser.

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Neste último, leva-se em conta não somente o movimento das partículas, mas

também o estado de carga elétrica das mesmas. No plasma, as partículas são íons (partículas eletrizadas) em movimento e em elevadas temperaturas.

O plasma é atingido toda vez que uma quantidade de calor muito grande é

fornecida às moléculas de um gás. Com a inevitável elevação da temperatura, os choques entre as moléculas tornam-se tão intensos que passam a ionizá-las

(arrancam seus elétrons). Quando se fala em quantidade de calor muito grande, deve-se imaginar que é grande mesmo, a ponto de o plasma ser encontrado no interior do Sol e das estrelas em geral (temperatura de milhões de graus Celsius).

De uns anos para cá, os cientistas estão desenvolvendo aparelhos para reproduzir o plasma em laboratório. Na Universidade de São Paulo existe um laboratório de plasma onde há alguns anos está sendo desenvolvido um equipamento chamado Tokamak.

Não se desaponte pelo fato de o plasma parecer tão esotérico. Você pode

observá-lo na Terra em condições muito especiais e repentinas. Ele é o famoso relâmpago que se observa em dias de tempestade.

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Noções de Física Nuclear Quando se fala em Física Nuclear, parece assunto complicado, “coisa de louco”, como algumas pessoas gostam de rotular. Entretanto, os assuntos básicos relativos ao núcleo do átomo são simples de entender. Complicado é manter um laboratório com aparelhos para pesquisas nucleares.

A primeira questão que se propõe, para ter uma idéia do que se passa no núcleo, é a seguinte: como é possível que os prótons fiquem agregados no núcleo, se possuem cargas elétricas positivas e estamos cansados de saber que cargas de mesmos sinais se repelem?

Essa questão atormentou os cientistas nas primeiras décadas do século XX, mas hoje se sabe que a união das partículas no núcleo é garantida por interações muito fortes, conhecidas por forças nucleares.

Para que você possa refletir sobre o papel dessas forças, é necessário saber que no universo há três tipos básicos de forças de interação: gravitacionais (consideradas fracas), eletromagnéticas (médias) e nucleares (muito fortes).

Assim, entre os prótons há dois tipos de forças atuando: as elétricas (de repulsão) e as nucleares (de atração). Como as nucleares são muito mais intensas que as elétricas, os prótons ficam unidos no núcleo.

Representação esquemática de

dois prótons com as forças que

atuam sobre eles.

É importante dizer que as forças nucleares são de curto alcance e que também atuam sobre os nêutrons. Do ponto de vista da Física Nuclear, tanto os prótons quanto os nêutrons são chamados de núcleons. Desse modo, generalizamos dizendo que as forças nucleares são as que mantêm os núcleons unidos.

Pouco se sabe ainda sobre as forças nucleares, apesar de fortunas serem

gastas, anualmente, em muitos países, para desvendá-las por completo. Em 1935, o japonês Hideki Yukawa (1907-1981) propôs uma teoria que contribuiu bastante para que se adiantassem os estudos das forças nucleares. Ele previu a existência de outras partículas menores no núcleo, chamadas mésons, que contribuem para a manutenção da estabilidade nuclear.

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Histórico nuclear

Muitas coisas acontecem no núcleo do átomo. As primeiras evidências sobre as atividades nucleares começaram a ser observadas no final do século XIX. Em 1896, o francês Henri Becquerel (1852-1908) verificou que um sal de urânio deixava impressões em chapas fotográficas. Inicialmente, não houve explicações para o fenômeno.

Mais tarde, o casal Marie Sklodowska Curie (1867-1934) e Pierre Curie

(1859-1906) descobriu os elementos polônio (Po) e rádio (Ra) e percebeu que ambos deixavam impressões mais acentuadas nas chapas fotográficas. Esses fatos foram as primeiras observações do fenômeno que conhecemos hoje pelo nome de radiatividade.

Com os experimentos de Rutherford, e outros avanços científicos, constatou-

se que a radiatividade é gerada pelo núcleo atômico. Alguns núcleos são instáveis e liberam partículas e/ou ondas eletromagnéticas. Dizer que um núcleo é instável equivale a afirmar que ele não é capaz de conter por muito tempo todas as partículas que abriga e, para ficar numa situação mais cômoda, acaba se livrando de algumas delas.

A partícula α (alfa), que Rutherford utilizou em sua célebre experiência,

nada mais é do que um caroço formado por 2 prótons e 2 nêutrons (todos bem ligados), espirrado de um núcleo (no caso era de polônio). Quando o polônio emite uma partícula α , fica portanto com 2 prótons e 2 nêutrons a menos. Mais do que isso, deixa de ser polônio e passa a ser chumbo (Pb), porque com 2 prótons a menos seu número atômico muda.

Esquematicamente, temos:

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A partícula α tem carga elétrica positiva, e logo depois arranja algum jeito

de capturar dois elétrons do meio, para formar um átomo de hélio (He), porque a partícula α é igual a um núcleo de hélio.

Outra partícula emitida por radiatividade é a β (beta). Esta tem carga

elétrica negativa, e na verdade é um elétron expulso por um núcleo. O que acontece é que o elétron emitido pelo núcleo resultou da decomposição

de um nêutron. Sabe-se hoje que em condições especiais o nêutron se fragmenta, comportando-se de acordo com o seguinte esquema: nêutron próton + elétron + resíduo

Esse esquema indica que o nêutron, ao se romper, tem um pedaço de si transformado em elétron, e o pedaço restante continua no núcleo como próton. É claro que essa é uma explicação simplificada, mas pode ajudar a compreender

o fenômeno. O terceiro tipo de radiação é chamado

de γ (gama). Não é constituído por partícula material, mas apenas por uma quantidade de energia que se propaga sob a forma de onda eletromagnética.

Esquema básico dos três tipos de

radiação nuclear.

Existem dois processos no qual pode-se obter energia nuclear

01 - Fissão nuclear

A instabilidade nuclear também é responsável por outros fenômenos mais complexos. Um deles é a fissão nuclear, que nada mais é do que um núcleo que se quebra em dois ou mais pedaços. Vejamos um exemplo:

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A fissão nuclear é o fenômeno que conduziu pesquisadores à fabricação das primeiras bombas atômicas, porque é um processo que libera grande quantidade de energia (sob a forma de calor). Mas não pense que energia nuclear só serve para produzir bombas. Alguns países, que possuem poucos recursos convencionais de geração de energia (hidrelétrica, termelétrica, etc.), precisam ter usinas nucleares. O problema é que se trata de uma tecnologia cara e que apresenta alguns riscos sérios. 02 - Fusão nuclear

A reação de fusão pode ser resumida, aproximadamente, como o fenômeno inverso da fissão, isto é: ocorre agregação de núcleos para a formação de outros núcleos. Esse fenômeno ocorre naturalmente no interior das estrelas e é responsável pela liberação da energia (luz e calor) que recebemos delas, principalmente do Sol.

Nas estrelas, núcleos de hidrogênio pesado (chamados dêuteron e tríton) se fundem para formar núcleos de hélio, liberando enorme quantidade de energia. Tais reações se passam dentro do plasma a que nos referimos anteriormente.

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A fusão é a base da bomba de hidrogênio (bomba H), muito poderosa e

destruidora. Mas não vamos pensar nesse lado da questão, porque o que mais nos interessa aqui é o fenômeno natural, e não aquele provocado pelo homem para satisfazer seus interesses.

GABARITO

MÓDULO 12

Exercício 1: λ= 4 . 10-7 m Exercício 2: v = 4 . 1012 m/s Exercício 3: f = 5 . 1014 Hz

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TABELA TRIGONOMÉTRICA

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BIBLIOGRAFIA

 BONJORNO, Regina Azenha e BONJORNO, José Roberto e BONJORNO, Valter e RAMOS, Clinton Marcico. Física – Termologia, Ótica Geométrica, Ondulatória, Vol. 2, Editora FTD.

 BONJORNO, Regina Azenha e BONJORNO, José Roberto e BONJORNO, Valter e RAMOS, Clinton Marcico. Física Fundamental, 2º grau, Volume único, Editora FTD.

 LOPES, Plínio Carvalho Lopes. Ciências – O ecossistema – fatores químicos e físicos. 8ª S. Editora Saraiva.

 CRUZ, Daniel. Ciências e Educação Ambiental – Química e Física. Editora Ática.

 BARROS, Carlos e PAULINO, Wilson Roberto. Física e Química. Editora Ática.

 CARVALHO, Odair e FERNANDES, Napoleão. Ciências em nova dimensão. Editora FTD.

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Supletivo.  MONTANARI, Valdir. Viagem ao interior da matéria. Editora

Atual.  MÁXIMO, Antônio e ALVARENGA, Beatriz. Física. Vol.

Único. Editora Scipione.

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ELABORAÇÃO:EQUIPE DE FÍSICA - CEESVO 2005

Geonário Pinheiro da Silva Jair Cruzeiro

REVISÃO 2007- EQUIPE DE FÍSICA

Bruno Bertolino Leite Brotas Jair Cruzeiro

Marcos Tadeu Vieira Cassar Rita de Cássia de Almeida Ribeiro

DIGITAÇÃO e COORDENAÇÃO

PCP - Neiva Aparecida Ferraz Nunes

DIREÇÃO

Elisabete Marinoni Gomes Maria Isabel R. de C. Kupper

Atualização 2008

APOIO.

Prefeitura Municipal de Votorantim.

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