Roteiro de Estudos Fisica Eletromagnetismo Cargas Eletricas UFRGS

INSTITUTO DE FÍSICA UFRGS FÍSICA GERAL ELETROMAGNETISMO FIS01182 Roteiro de estudos I CARGAS ELÉTRICAS I Introdução Em seu curso de Física I muitas vezes você ouviu falar de forças estudou variações no mo vimento de objetos como resultado de forças agindo sobre eles calculou forças resultantes com ponentes etc Em função disso você pode estar pensando que existem muitos tipos de forças Nem tanto Todas as forças decorrem de interações entre diferentes objetos e pelo que se sabe até agora existem apenas quatro tipos de interações fundamentais sobre as quais veremos algumas de suas características mais importantes 1 A Interação Gravitacional Esta certamente deve ser a que lhe é a mais familiar uma vez que foi objeto de estudo do curso FIS01181 Lembrando a Lei da Gravitação Universal de Newton é a mais antiga lei de força conhecida existindo sempre entre qualquer par de objetos da Natureza Embora seja a mais fraca de todas esta interação é a mais importante por exemplo nas aplicações à Astronomia uma vez que continua atuando entre corpos eletricamente neutros é sempre atrativa e as massas envolvidas são em geral extremamente grandes 2 As Interações Fortes São as de maior intensidade na Natureza São responsáveis pelas forças nucleares ie responsáveis pela estabilidade do núcleo atômico As forças nucleares atuam somente entre as partículas conhecidas como hádrons que possuem carga hadrônica entre as quais classicamse o próton e o nêutron Estas forças são de alcance muito curto da ordem de 1015m 1 F Fermi e são atrativas para distâncias 0 4 F e repulsivas para distâncias menores Para distâncias maiores do que 1 F a intensidade cai de forma exponencial 3 As Interações Fracas Como as fortes atuam somente na escala nuclear Seu alcance é ainda menor do que o das interações fortes e sua intensidade é mais fraca do que a da interação eletromagnética São responsáveis pelos processos de desintegração β onde por exemplo um elétron é emitido espontaneamente pelo núcleo de certas substâncias radioativas Estas interações nucleares fortes e fracas não serão estudadas neste curso 4 As Interações Eletromagnéticas Responsáveis pelas forças eletromagnéticas as quais cons tituem o objetivo de estudo do curso que agora se inicia Como veremos estas forças atuam somente entre partículas que possuem carga elétrica e podem ser atrativas ou repulsivas depen dendo das cargas envolvidas O estudo destas interações começará com cargas em repouso onde temos apenas a força eletrostática atuando Após as cargas serão colocadas em movimento rela tivo umas em relação às outras e uma força adicional surgirá a força magnética O termo força eletromagnéticaé freqüentemente usado para indicar que tanto efeitos elétricos quanto magnéti cos estão presentes No decorrer do curso surgirão oportunidades de se relacionarem fenômenos eletromagnéticos com fenômenos mecânicos tais como conservação de energia elétrica e energia mecânica oscilações eletromagnéticas e oscilações mecânicas etc Para comparação a ordem das 1 intensidades das 4 forças básicas é 1 nuclear forte 2 eletromagnética 3 nuclear fraca e 4 gravitacional Este primeiro roteiro se inicia com a apresentação do conceito de cargas elétricas e do es tabelecimento dos dois tipos de cargas existentes em função da observação de suas interações Em seguida apresentaremos a Lei de Coulomb a lei de força para a Eletrostática Você verá a semelhança que esta lei tem em sua forma com a Lei da Gravitação Universal de Newton Na etapa seguinte é apresentado um conceito que não lhe é muito familiar o da quantização de uma certa grandeza Física Por quantização devemos entender que tal grandeza Física não pode assumir qualquer valor que não seja um múltiplo inteiro de uma certa quantidade fundamental Como exemplo grosseiro em uma sala de aula não pode haver 235 alunos Apenas um número inteiro de alunos é possível Este novo conceito aplicarseá à carga elétrica ou seja as cargas elétricas existem em um múltiplo inteiro de uma quantidade fundamental Finalmente estabelecese um novo princípio de conservação que somarseá aos já conhecidos por você energia momentum linear momentum angular etc o Princípio de Conservação da Carga Elétrica O estudo analítico do Eletromagnetismo exige uma formulação matemática um pouco sosti cada envolvendo uma certa habilidade com as técnicas estudadas no Cálculo Diferencial e Integral Assim o próximo roteiro procurará revisar estas técnicas reavivando alguns tópicos especícos in dispensáveis ao tratamento matemático que será dado aos fenômenos eletromagnéticos abordados neste curso II Objetivos Ao término deste capítulo você deverá ser capaz de 1 Identicar os dois tipos de cargas elétricas e caracterizar seu comportamento em termos de atração e repulsão 2 Distinguir entre condutores e isolantes explicando seu comportamento do ponto de vista atômico 3 Enunciar verbal e analiticamente a Lei de Coulomb e aplicála no cálculo de forças elétricas de um sistema de cargas puntuais 4 Explicar o que se entende por quantização da carga elétrica 5 Explicar através de exemplos o que se entende por conservação da carga elétrica III Procedimento sugerido Livrotexto Fundamentos de Física D Halliday R Resnick e J Walker vol 3 8a ed LTC 2009 1 Objetivos 1 e 2 a Leia as seções 2112 e 3 do livrotexto b Responda às perguntas 2 5 6 8 9 e 10 do Cap 21 2 Objetivo 3 a Leia a seção 214 do livrotexto Atenção aos teoremas b Dê especial atenção aos exemplos E 211 2 e 3 c Resolva os problemas P 212 4 5 7 8 9 10 14 15 17 44 49 54 60 62 e 66 3 Objetivo 4 a Leia a seção 215 do livrotexto e analise o E 214 b Resolva os P 2125 35 e 52 4 Objetivo 5 a Leia a seção 226 do livrotexto b Responda O que significa dizer que uma grandeza física é a quantizada ou b conservada Dê alguns exemplos c Resolva o P 2137 5 Problema adicional Duas cargas positivas iguais estão separadas por uma distância 2a Uma carga de prova puntual é colocada num plano eqüidistante das duas primeiras perpendicular ao segmento de reta que as une a Calcule o raio r da circunferência de simetria nesse plano para os pontos da qual a força na carga de prova é máxima b Qual a direção e o sentido desta força supondose uma carga de prova positiva O problema acima e o 5 do livro são um pouco mais difíceis porque requerem cálculo de máximos e mínimos Se você sabe fazer este tipo de cálculo certamente não terá dificuldades com estes problemas IV Respostas dos problemas pares 2 a 49 107 kg b 74 1011 C 4 3F8 8 a Q 22 10 a q1 9q2 b q1 25q2 14 a positivo b q2q1 9 44 a L21 qQ4πε0wh2 b 3qQ4πε0w 52 a 123 1013 b dono p torneira c positivas d torneira p gato e transfere e p gato 54 b 24 108 C 60 a 616 1024 N b 208 62 0707 ad a r a2 b radialmente para fora do centro da circunferência de simetria