Pssc-física_pssc_parte 4

PHYSICAL SCIENCE STUDY COMMITTEE\nBIBLIOTECA\nINSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO\nFísica\nParte IV\nEDITORA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA\nSÉRIE DE TEXTOS BÁSICOS DE CIÊNCIA CONTEÚDO\nPARTE IV ELECTRICIDADE E ESTRUTURA ATÔMICA\nCAPÍTULO\n27 Alguns fatos qualitativos sobre a eletricidade ........ 9\n28 A lei de Coulomb e a carga elétrica elementar ....... 31\n29 Energia e movimento de cargas em campos elétricos ... 59\n30 O campo magnético ........................................ 98\n31 Indução e ondas eletromagnéticas ................... 128\n32 Explorando o átomo ....................................... 156\n33 Fótons e ondas associadas à matéria ............. 174\n34 Sistemas Quânticos e a estrutura dos átomos .. 204\nGUIA DE LABORATÓRIO\nIV - 1 Objetos eletrizados ............................... 230\nIV - 2 Indução eletrostática ............................... 230\nIV - 3 A força entre duas esferas carregadas ...... 231\nIV - 4 A soma de forças elétricas ...................... 233\nIV - 5 Diferença de potencial .............................. 234\nIV - 6 A carga transportada por íons em solução ... 235\nIV - 7 O campo magnético de uma corrente ......... 237\nIV - 8 O campo magnético nas proximidades de um fio\nlongo retilíneo ................................................ 239\nIV - 9 Medida de um campo magnético em unidades\nfundamentais .................................................. 240\nIV - 10 A massa do elétron .................................. 241\nIV - 11 O acaso na desintegração radioativa ...... 246\nIV - 12 Colisões nucleares simuladas .................. 246 PARTE IV ELECTRICIDADE E ESTRUTURA ATÔMICA\nO CAMPO ELÉTRICO em torno de uma placa condutora carregada, delineado\npor sementes de um tipo especial de grama flutuando em um líquido isolante.\nO estudo dos campos elétricos nos ajudará a entender a natureza da luz e\nas forças que mantêm os átomos unidos. ALGUNS FATOS QUALITATIVOS SOBRE A ELETRICIDADE\n\nCAPÍTULO 27\n\nNa Parte III, aprendemos que todo corpo material atrai outro corpo material com uma força conhecida como força gravitacional. Esta força só tem consequências práticas quando um dos corpos tem massa muito grande, como um planeta, por exemplo. Entretanto, a força gravitacional não é a única força de ação à distância que pode existir entre corpos materiais. Existem outras muito mais fortes. Um pequeno ímã é capaz de levantar da mesa um prego de ferro, contra a atração gravitacional de toda a Terra. Um pêndulo atraído sobre a manga do paletó atrai fragmentos de papel. Estes são exemplos de forças magnéticas e elétricas, respectivamente.\nEssas forças são conhecidas desde a antiguidade. Os antigos gregos sabiam das propriedades de um minúsculo de ferro (magnetita) que é um ímã natural. As palavras magnetita, magnetismo e outras, derivam do nome de uma cidade da Ásia Menor, Magnésia, perto da qual foi encontrado o minério. Diz-se também que o filósofo grego, Thales, teria observado forças elétricas há cerca de vinte e cinco séculos. Teria verificado que o âmbar, quando atraído, atraia pequenos objetos. A palavra eletricidade vem de \"elektron\", nome grego do âmbar.\nEntretanto, foi somente durante a Renascença que se desenvolveu o formal sistemático e o estudo da eletricidade e do magnetismo e os físicos se conseguiram uma compreensão clara do assunto no fim do século passado. Dificilmente encontrá-se um fato científico de consequências práticas tão profundas e de tão grande alcance. Dele resultaram imensas aplicações práticas. A produção e a utilização da energia elétrica e o desenvolvimento das xime-o do primeiro. Os dois bastões se repelem.\nRepita a experiência com duas barras de plástico friccionadas com uma pele de animal. Os dois bastões de plástico repelem-se (Fig. 27-2).\n27-2. Forças Elétricas entre as Partículas que Constituem a Matéria.\n\nAprendemos que a matéria é feita de átomos e que os átomos podem ser desdobrados em unidades menores. Mas até agora, nesse livro, não enfrentamos o problema de saber se existem partículas fundamentais a partir das quais todos os átomos são constituídos. O estudo da eletricidade nos dá informações importantes sobre esta questão.\nPara começar, é natural supor que a força entre dois objetos é a soma vetorial das forças que agem entre as partículas de que são constituídos. Como corpos eletrizados que se repelem, podemos supor que também existem forças atraindo os objetos. Como biologia e química ele admite a hipótese de que, entre as partículas que constituem a matéria, há forças de partículas: positivas e negativas. Duas partículas de mesmo sinal se repelem e duas partículas de sinais opostos se atraem. Algumas das partículas de que é constituída a matéria pertencem a um terceiro grupo. Os nêutrons, por exemplo, não se comportam nem como partículas positivas, nem como partículas negativas.\nEmbora as forças elétricas entre partículas sejam enormemente mais intensas do que as forças gravitacionais, quando dois objetos carregados se colocam perto um do outro, não se observaQ que força elétrica entre eles. Este fato não significa que devemos abandonar a ideia de que existem partículas elétricas positivas e negativas na matéria. Como partículas de cargas opostas exercem forças de sentidos opostos sobre uma terceira partícula, concluímos que as forças exercidas pelos dois tipos de partículas podem se cancelar. Quando o efeito das partículas positivas e negativas se cancelam exatamente, dizemos que o objeto está descarregado ou eletricamente neutro. Podemos inclusive representar desta maneira um átomo neutro.\nSe adicionamos algumas partículas positivas a um corpo eletricamente neutro, desaparece o equilíbrio. O efeito das partículas positivas sobrepõe o das partículas negativas, e dizemos que o objeto está carregado positivamente. Podemos também carregar positivamente um objeto removendo algumas das partículas negativas e deixando, portanto, um excesso de cargas positivas (do mesmo modo, poderíamos tornar negativo um corpo neutro, adicionando partículas negativas ou removendo partículas positivas).\nVimos que, se friccionamos um bastão de vidro com seda, ele se torna positivo. Como pode isso acontecer? Podemos pensar em duas possibilidades: Talvez haja uma transferência de partículas positivas da seda para o bastão e, talvez, uma transferência de cargas negativas da seda para a seda. Nos dois casos, o vidro passou a ter eletricidade negativa e o bastão suposto. Verificamos que o bastão é atraído pela seda. Por outro lado, a seda repele um bastão plástico carregado negativamente.\n27 – 3. Isolantes e Condutores\n\nE como classificarmos os vários materiais dizendo que alguns são condutores elétricos e outros isolantes. Esta classificação baseia-se em experiências como as que discutiremos a seguir. Suponha que suspendemos por uma linha de seda um esfera pequena e leve recoberta de metal. A seguir, apoiamos uma 12 ALCUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ\n27-4 (a) 27-4 (b)\n27-4 (c) 27-4 (d)\nquando tocamos a barra metálica com o vidro eletrizado, partículas positivas passam do vidro para o metal e se espalham até a bola. A barra e a bola ficam ambas positivamente carregadas e se repelem.\n27-4 – (a) Uma barra metálica, apoiada sobre um bequer está em contato com uma bolinha leve revestida de metal. (b) Tocamos a extremidade da barra metálica com um bastão carregado, a bola, na outra ponta, se repele. (c) Depois que foi tocada e carregada, a barra metálica continua a repelir a bola. (d) Repetimos a experiência com uma barra plástica no lugar da de metal. A bola permanece imóvel.\n\n27 – 5. Indução Eletrostática\n\nTivemos agora que imaginar o que acontece quando substituímos a barra metálica pela barra plástica. No plástico, nem as partículas positivas, nem as negativas têm liberdade de movimento. Assim sendo, somente a parte 13 ALGUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ\n27 – 4. Algumas Experiências com o Eletroscópio.\n\nO eletroscópio é um instrumento para revelar a presença de cargas elétricas. A versão mais simples deste instrumento é o antigo eletroscópio de folhas de ouro. Consiste de duas lâminas de ouro, muito finas, suspensas a uma barra metálica e encerradas em um recipiente de vidro (Fig. 27-5). Explicaremos, agora, como funciona.\n\nSe tocarmos, com um pedaço de plástico carregado, a pequena esfera metálica situada na extremidade superior da barra metálica, as lâminas de ouro se afastam. Que aconteceu? Partículas eletricamente negativas passaram do plástico para a barra metálica e se espalharam imediatamente até as folhas de ouro. As folhas se repelem porque ficaram ambas negativas! Como são muito leves, um pequena carga é suficiente para causar um afastamento perceptível (as folhas se afastaram também se usássemos um bastão de vidro friccionado com seda, porém, as folhas de ouro ficariam eletrizadas positivamente). 14 ALGUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ\n27-6 – (a) Eletroscópio carregado; as folhas repelem-se fortemente. (b) Tocamos o terminal do eletroscópio com uma esfera preta e um bastão isolante. As folhas de ouro aproximam-se completamente. Tanto você quanto a esfera se tornam aproximadamente o mesmo.\n\neltroscópio é tão pouco que não pode ser percebido. Este processo de dividir a carga elétrica com a Terra é, em geral, indicado pela expressão \"ligar à terra\".\n\nApesar de você não ter grande quanto a Terra, também pode funcionar como um esfera condutora. Se carregue um eletroscópio e, depois tocá-lo com o dedo, as folhas se juntam. Se, inicialmente, existe um excesso de partículas negativas no eletroscópio, algumas delas passam para o seu corpo, elas passam também para a Terra. Entretanto, mesmo que seus sapatos sejam isolantes, as folhas de eletroscópio se juntam imediatamente, revelando que a grafite é condutora. Por outro lado, as folhas de eletroscópio carregado não se movem se tocarmos o terminal com um pedaço de vidro, borracha, ebonite, porcelana ou plástico que não estejam eletrizados. Essas substâncias são isolantes elétricos. Se tocarmos a esfera com um palito de fósforo, as folhas de ouro se juntam, porém muito lentamente. Aparentemente, na madeira algumas partículas elétricas podem mover-se, porém não têm liberdade como nos metais; a madeira oferece uma 'resistência' muito maior ao movimento das partículas elétricas do que os metais. ALCUNS FATOS SOBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ\n\n27-9 – Indução eletrostática. (a) Barras metálicas em contato com carga positiva nas proximidades. (b) As barras são separadas mantendo-se o corpo carregado próximo. (c) As barras reagem às suas cargas, uma quando o objeto carregado é afastado.\n\numa carga positiva. Podemos verificar esta inferência, retirando o bastão de vidro das proximidades, e aproximando uma pequena esfera carregada positivamente e suspensa por um fio. Vemos que o cilindro próximo atrai a bolinha carregada positivamente, e que o outro a repele.\n\nA separação de cargas positivas e negativas em um condutor, induzida pela presença, nas proximidades, de um corpo eletrizado, denomina-se indução eletrostática. Os excessos locais de cargas negativas e positivas que se acumulam em diferentes regiões do condutor, são denominados cargas induzidas.\n\nA indução eletrostática nos permite usar um eletroscópio para detectar a presença de cargas elétricas sem transferi-las para o eletroscópio. De fato, desta maneira, podemos até mesmo determinar o sinal da carga: para fazer isto, primeiro carregamos o eletroscópio, diga.