Fisica 3 - Young e Freedman 12 Edição 1

SEARS & ZEMANSKY FÍSICA III ELETROMAGNETISMO YOUNG & FREEDMAN 12ª EDIÇÃO PEARSON Addison Wesley www.abdif.org.br Companion Websites Site construído de apoio para professores e estudantes FÍSICA III ELETROMAGNETISMO YOUNG & FREEDMAN 12ª EDIÇÃO PEARSON Education CORTESIA VENDA PROIBIDA Pearson Education EMPRESA CIDADÃ FISICA III ELETROMAGNETISMO YOUNG & FREEDMAN 12ª EDIÇÃO Hugh D. Young Universidade Carnegie-Mellon, Pittsburgh Roger A. Freedman Universidade da Califórnia, Santa Bárbara Colaborador A. Lewis Ford Universidade A&M do Texas Tradução Sonia Midori Yamamoto Revisão Técnica Adir Moyses Luiz Doutor em ciência Professor associado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro PEARSON Addison Wesley São Paulo Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha Guatemala México Peru Porto Rico Venezuela © 2009 by Pearson Education do Brasil Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de nenhum modo ou por algum outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Brasil. Diretor editorial: Roger Thiner Gerente editorial: Sabrina Cairo Supervisor de produção editorial: Marcelo Francozo Editores: Arlete Sousa e Marco Pace Preparação: Leticia Reis Scarp Revisão: Samuel Greco e Carmen S. da Costa Capa: Rafael Mazzo, sob projeto original de Yvo Riezedeos Design Projeto gráfico e diagramação: Globaltec Artes Gráficas Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Camara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Young, Hugh D. Física III : eletromagnetismo / Young e Freedman ; [colaborador A. Lewis Ford ; tradução Sonia Midori Yamamoto; revisão técnica Adir Moyses Luiz. — São Paulo : Addison Wesley, 2009. — Il. colorido ; Parte da coleção: Sears and Zemansky's University physics. 12. ed. americana. ISBN 978-85-86339-34-8 1. Eletromagnetismo 2. Física III. Freedman, Roger A. II. Ford, A. Lewis. III. Título. 08-02033 CDD-537 Índice para catálogo sistemático: 1. Eletromagnetismo : Física 537 1ª reimpressão — maio 2009 Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à Pearson Education do Brasil, uma empresa do grupo Pearson Education Av. Emano Marchetti, 1435 CEP: 05038-001 – São Paulo – SP Fone: (11) 2178-8686 - Fax. (11) 2178-8688 e-mail: vendas@pearsoned.com SUMÁRIO FÍSICA 3 ELETROMAGNETISMO CAPÍTULO 21 Carga Elétrica e Campo Elétrico 21.1 Carga Elétrica 02 21.2 Condutores, Isolantes e Cargas Induzidas 05 21.3 Lei de Coulomb 07 21.4 Campo Elétrico e Forças Elétricas 12 21.5 Determinação do Campo Elétrico 17 21.6 Linhas de Força de um Campo Elétrico 23 21.7 Dipolos Elétricos 25 Resumo/Principais Termos 28 Questões/Exercícios/Problemas 30 CAPÍTULO 22 Lei de Gauss 22.1 Carga Elétrica e Fluxo Elétrico 40 22.2 Determinação do Fluxo Elétrico 43 22.3 Lei de Gauss 47 22.4 Aplicações da Lei de Gauss 51 22.5 Cargas em Condutores 57 Resumo/Principais Termos 61 Questões/Exercícios/Problemas 63 CAPÍTULO 23 Potencial Elétrico 23.1 Energia Potencial Elétrica 71 23.2 Potencial Elétrico 78 23.3 Determinação do Potencial Elétrico 83 23.4 Superfícies Equipotenciais 87 23.5 Gradiente de Potencial 90 Resumo/Principais Termos 92 Questões/Exercícios/Problemas 93 CAPÍTULO 24 Capacitância e Dielétricos 24.1 Capacitância e Capacitores 105 24.2 Capacitores em Série e em Paralelo 109 24.3 Armazenamento de Energia em Capacitores e Energia do Campo Elétrico 112 24.4 Dielétricos 115 *24.5 Modelo Molecular da Carga Induzida 121 *24.6 Lei de Gauss em Dielétricos 122 Resumo/Principais Termos 124 Questões/Exercícios/Problemas 125 CAPÍTULO 25 Corrente, Resistência e Força Eletromotriz 25.1 Corrente 135 25.2 Resistividade 139 25.3 Resistência 142 25.4 Força Eletromotriz e Circuitos 146 25.5 Energia e Potência em Circuitos Elétricos 151 *25.6 Teoria da Condução em Metais 155 Resumo/Principais Termos 157 Questões/Exercícios/Problemas 159 CAPÍTULO 26 Circuitos de Corrente Contínua 26.1 Resistores em Série e em Paralelo 168 26.2 Leis de Kirchhoff 173 26.3 Instrumentos de Medidas Elétricas 178 26.4 Circuito R-C 182 26.5 Sistemas de Distribuição de Potência 186 Resumo/Principais Termos 189 Questões/Exercícios/Problemas 191 CAPÍTULO 27 Campo Magnético e Forças Magnéticas 27.1 Magnetismo 202 27.2 Campo Magnético 204 27.3 Linhas de Campo Magnético e Fluxo Magnético 208 27.4 Movimento de Partículas Carregadas em um Campo Magnético 211 27.5 Aplicações de Movimento e Partículas Carregadas 214 27.6 Força Magnética sobre um Condutor Transportando uma Corrente 217 27.7 Força e Torque sobre uma Espira de Corrente 220 *27.8 O Motor de Corrente Contínua 226 *27.9 O Efeito Hall 228 Resumo/Principais Termos 229 Questões/Exercícios/Problemas 231 vi FISICA III CAPITULO 28 Fontes de Campo Magnetico 28.1 Campo Magnetico de uma Carga em Movimento 243 28.2 Campo Magnetico de um Elemento de Corrente 246 28.3 Campo Magnetico de um Condutor Retilineo Transportando uma Corrente 248 28.4 Forca entre Condutores Paralelos 251 28.5 Campo Magnetico de uma Espira Circular 253 28.6 Lei de Ampere 255 28.7 Aplicacoes da Lei de Ampere 258 *28.8 Materiais Magneticos 262 Resumo/Principais Termos 267 Questoes/Exercicios/Problemas 270 CAPITULO 29 Inducao Eletromagnetica 29.1 Experiencias de Inducao 281 29.2 Lei de Faraday 283 29.3 Lei de Lenz 290 29.4 Forca Eletromotriz Produzida pelo Movimento 292 29.5 Campos Eletricos Induzidos 294 *29.6 Correntes de Foucault 297 29.7 Corrente de Deslocamento e Equacoes de Maxwell 298 *29.8 Supercondutividade 302 Resumo/Principais Termos 303 Questoes/Exercicios/Problemas 305 CAPITULO 30 Indutancia 30.1 Indutancia Mutua 316 30.2 Indutores e Auto-Indutancia 319 30.3 Energia do Campo Magnetico 323 30.4 O Circuito R-L 325 30.5 O Circuito L-C 329 30.6 O Circuito R-L-C em Serie 333 Resumo/Principais Termos 335 Questoes/Exercicios/Problemas 337 CAPITULO 31 Corrente Alternada 31.1 Fasor e Corrente Alternada 347 31.2 Resistência e Reatância 351 31.3 O Circuito R-L-C em Série 356 31.4 Potência em Circuitos de Corrente Alternada 361 31.5 Ressonância em Circuitos de Corrente Alternada 363 31.6 Transformadores 366 Resumo/Principais Termos 369 Questoes/Exercicios/Problemas 371 CAPITULO 32 Ondas Eletromagneticas 32.1 Equacoes de Maxwell e Ondas Eletromagneticas 377 32.2 Ondas Eletromagneticas Planas e a Velocidade da Luz 381 32.3 Ondas Eletromagneticas Senoidais 386 32.4 Energia e Momento Linear em Ondas Eletromagneticas 390 32.5 Ondas Eletromagneticas Estacionarias 395 Resumo/Principais Termos 398 Questoes/Exercicios/Problemas 399 APÊNDICES A Sistema Internacional de Unidades 405 B Relacoes Matematicas Uteis 407 C Alfabeto Grego 408 D Tabela Periodica dos Elementos 409 E Fatores de Conversao das Unidades 410 F Constantes Numericas 411 Respostas dos Problemas Impares 413 Indice Remissivo 417 Creditos das fotos 423 Sobre os autores 425 FISICA 1 MECANICA CAPITULO 1 Unidades, Grandezas Fisicas e Vetores 1.1 A Natureza da Fisica 1.2 Solucao de Problemas de Fisica 1.3 Padroes e Unidades 1.4 Coerencia e Conversao de Unidades 1.5 Incerteza e Algarismos Significativos 1.6 Estimativas e Ordens de Grandeza 1.7 Vetores e Soma Vetorial 1.8 Componentes de Vetores 1.9 Vetores Unitarios 1.10 Produtos de Vetores Sumario vii Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 2 Movimento Retilíneo 2.1 Deslocamento, Tempo e Velocidade Média 2.2 Velocidade Instantânea 2.3 Aceleração Instantânea e Aceleração Média 2.4 Movimento com Aceleração Constante 2.5 Queda Livre de Corpos *2.6 Velocidade e Posição por Integração Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 3 Movimento em Duas ou Três Dimensões 3.1 Vetor Posição e Vetor Velocidade 3.2 Vetor Aceleração 3.3 Movimento de um Projétil 3.4 Movimento Circular 3.5 Velocidade Relativa Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 4 Leis de Newton do Movimento 4.1 Força e Interações 4.2 Primeira Lei de Newton 4.3 Segunda Lei de Newton 4.4 Massa e Peso 4.5 Terceira Lei de Newton 4.6 Exemplos de Diagramas do Corpo Livre Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 5 Aplicações das Leis de Newton 5.1 Uso da Primeira Lei de Newton: Partículas em Equilíbrio 5.2 Uso da Segunda Lei de Newton: Dinâmica das Partículas 5.3 Forças de Atrito 5.4 Dinâmica do Movimento Circular *5.5 As Forças Fundamentais da Natureza Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 6 Trabalho e Energia Cinética 6.1 Trabalho 6.2 Energia Cinética e o Teorema do Trabalho-Energia 6.3 Trabalho e Energia com Forças Variáveis 6.4 Potência Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 7 Energia Potencial e Conservação da Energia 7.1 Energia Potencial Gravitacional 7.2 Energia Potencial Elástica 7.3 Forças Conservativas e Forças Não Conservativas 7.4 Força e Energia Potencial 7.5 Diagramas de Energia Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 8 Momento Linear, Impulso e Colisões 8.1 Momento Linear e Impulso 8.2 Conservação do Momento Linear 8.3 Conservação do Momento Linear e Colisões 8.4 Colisões Elásticas 8.5 Centro de Massa *8.6 Propulsão de um Foguete Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 9 Rotação de Corpos Rígidos 9.1 Velocidade Angular e Aceleração Angular 9.2 Rotação com Aceleração Angular Constante 9.3 Relações entre a Cinemática Linear e a Cinemática Angular 9.4 Energia no Movimento de Rotação 9.5 Teorema dos Eixos Paralelos *9.6 Cálculos de Momento de Inércia Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas viii FISICA 1 CAPITULO 10 Dinâmica do Movimento de Rotação 10.1 Torque 10.2 Torque e Aceleração Angular de um Corpo Rígido 10.3 Rotação de um Corpo Rígido em Torno de um Eixo Móvel 10.4 Trabalho e Potência no Movimento de Rotação 10.5 Momento Angular 10.6 Conservação do Momento Angular 10.7 Giroscópios e Precessão Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 11 Equilíbrio e Elasticidade 11.1 Condições de Equilíbrio 11.2 Centro de Gravidade 11.3 Soluções de Problemas de Equilíbrio de Corpos Rígidos 11.4 Tensão, Deformação e Módulos de Elasticidade 11.5 Elasticidade e Plasticidade Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas FISICA 2 TERMODINÂMICA E ONDAS CAPITULO 12 Gravitação 12.1 Lei de Newton da Gravitação 12.2 Peso 12.3 Energia Potencial Gravitacional 12.4 Movimento de Satélites 12.5 As Leis de Kepler e o Movimento de Planetas *12.6 Distribuição Esférica de Massa *12.7 Peso Aparente e Rotação da Terra 12.8 Buraco Negro Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 13 Movimento Periódico 13.1 Causas da Oscilação 13.2 Movimento Harmônico Simples 13.3 Energia no Movimento Harmônico Simples 13.4 Aplicações do Movimento Harmônico Simples 13.5 O Pêndulo Simples 13.6 O Pêndulo Físico 13.7 Oscilações Amortecidas 13.8 Oscilações Forçadas e Ressonância Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 14 Mecânica dos Fluidos 14.1 Densidade 14.2 Pressão em um Fluido 14.3 Empuxo 14.4 Escoamento de um Fluido 14.5 Equação de Bernoulli 14.6 Viscosidade e Turbulência Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 15 Ondas Mecanicas 15.1 Tipos de Ondas Mecanicas 15.2 Ondas Periódicas 15.3 Descrição Matemática das Ondas 15.4 Velocidade de uma Onda Transversal 15.5 Energia no Movimento Ondulatório 15.6 Interferência de Ondas, Condições de Contorno de uma Corda e Princípio da Superposição 15.7 Ondas Estacionárias em uma Corda 15.8 Modos Normais de uma Corda Resumo/Principais Termos Questoes/Exercicios/Problemas CAPITULO 16 Som e Audição 16.1 Ondas Sonoras 16.2 Velocidade das Ondas Sonoras 16.3 Intensidade do Som 16.4 Ondas Estacionárias e Modos Normais 16.5 Ressonância e Som 16.6 Interferência de Ondas 16.7 Batimentos 16.8 O Efeito Doppler *16.9 Ondas de Choque Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 17 Temperatura e Calor 17.1 Temperatura e Equilíbrio Térmico 17.2 Termômetros e Escalas de Temperatura 17.3 Termômetro de Gás e Escala Kelvin 17.4 Expansão Térmica 184 17.5 Quantidade de Calor 190 17.6 Calorimetria e Transições de Fases 17.7 Mecanismos de Transferência de Calor Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 18 Propriedades Térmicas da Matéria 18.1 Equações de Estado 18.2 Propriedades Moleculares da Matéria 18.3 Modelo Cinético-Molecular de um Gás Ideal 18.4 Calor Específico *18.5 Velocidades Moleculares 18.6 Fases da Matéria Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 19 A Primeira Lei da Termodinâmica 19.1 Sistemas Termodinâmicos 19.2 Trabalho Realizado Durante Variações de Volume 19.3 Caminhos entre Estados Termodinâmicos 19.4 Energia Interna e Primeira Lei da Termodinâmica 19.5 Tipos de Processos Termodinâmicos 19.6 Energia Interna de um Gás Ideal 19.7 Calor Específico de um Gás Ideal 19.8 Processo Adiabático de um Gás Ideal Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 20 A Segunda Lei da Termodinâmica 20.1 Sentido de um Processo Termodinâmico 20.2 Máquinas Térmicas 20.3 Máquinas de Combustão Interna 20.4 Refrigeradores 20.5 Segunda Lei da Termodinâmica 20.6 O Ciclo de Carnot 20.7 Entropia *20.8 Interpretação Microscópica da Entropia Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas FISICA 4 ÓTICA E FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 33 Natureza e Propagação da Luz 33.1 Natureza da Luz 33.2 Reflexão e Refração 33.3 Reflexão Interna Total 33.4 Dispersão 33.5 Polarização *33.6 Espalhamento da Luz 33.7 Princípio de Huygens Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 34 Ótica Geométrica e Instrumentos de Ótica 34.1 Reflexão e Refração em uma Superfície Plana 34.2 Reflexão em uma Superfície Esférica 34.3 Refração em uma Superfície Esférica 34.4 Lentes Delgadas 34.5 Câmera 34.6 O Olho 34.7 A Lupa 34.8 Microscópios e Telescópios Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas CAPÍTULO 35 Interferência 35.1 Interferência e Fontes Coerentes 35.2 Interferência da Luz Produzida por Duas Fontes 35.3 Intensidade das Franjas de Interferência 35.4 Interferência em Películas Finas 35.5 O Interferômetro de Michelson Resumo/Principais Termos Questões/Exercícios/Problemas