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Guias e Dicas
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Módulo do 4º Bimestre 3º Ano, Notas de estudo de Física

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Tipologia: Notas de estudo

2011

Compartilhado em 11/10/2011

michel-algelo-lima-silva-professor-
michel-algelo-lima-silva-professor- 🇧🇷

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Baixe Módulo do 4º Bimestre 3º Ano e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! MÓDULO 4º BIMESTRE 3º ANO FORÇA MAGNÉTICA Foi descoberto que uma carga elétrica sofre a ação de uma força quando se desloca em um campo magnético. Essa força que a partícula eletrizada sofre quando colocada sobre a ação desse campo magnético é denominada força magnética ou força de Lorentz que pode ser observada ao aproximarmos um ímã do tubo de imagem de um televisor, o que provoca um deslocamento na trajetória dos elétrons. A força magnética que age sobre uma partícula eletrizada tem as seguintes características: 1 (Direção) – É perpendicular à velocidade da partícula e ao campo magnético. 2 (Sentido) – Regido peã regra da mão direita espalmada, enunciada a seguir: Com a mão direita espalmada, colocando o polegar no sentido da velocidade da partícula eletrizada e os demais dedos no sentido do campo magnético, podemos mostrar o sentido da força que atua na partícula saindo da palma da mão se a carga for positiva; caso contrário , ou seja, se a carga for negativa, o sentido da força magnética é entrando na palma da mão . 3 (Intensidade) – A força magnética tem intensidade diretamente proporcional ao campo, ao módulo da carga e à velocidade da partícula no campo magnético. Fm é a força magnética (N) Q é a carga da partícula (C) V é a velocidade da partícula (m/s) F 0 7 1 é o ângulo entre os vetores V e B MOVIMENTO DE CARGA EM CAMPO UNIFORME A trajetória de uma partícula em um campo magnético uniforme depende de como ela é lançada no nesse campo, ou seja, depende do ângulo formado no lançamento entre V e B. Podemos ter basicamente dois casos particulares quanto à direção do lançamento da carga dentro do campo: 1 – Lançamento paralelo ao campo A figura abaixo pode ilustrar esse tipo de lançamento, o qual pode ocorrer sob um ângulo de 0º ou 180º se a carga for lançada no mesmo sentido ou no sentido contrário respectivamente. Quando ocorrer esse tipo de lançamento, não teremos força magnético atuando na partícula eletrizada pois o sen 0º = sen 180º = 0. podemos dizer nesse caso que a partícula terá movimento retilíneo e uniforme. 2 – Lançamento perpendicular ao campo Em um lançamento perpendicular o ângulo formado entre a velocidade e o campo magnético é 90º. Podemos ilustrar esse movimento pela figura abaixo Nesse caso, temos a força magnética agindo com uma intensidade máxima, pois sen 90º = 1, o que nos leva a uma força de valor: Podemos perceber que a força magnética faz o papel da força centrípeta, logo fica possível determinar o raio sob o qual o movimento é descrito, fazendo uma comparação entre a força centrípeta e a força magnética. m é a massa da partícula (Kg) V é a velocidade da partícula (m/s) Q é a carga da partícula (C) B é o campo magnético (T) OBS: Percebemos que partículas de massa diferentes possuem trajetórias diferentes, cada uma com seu raio de rotação específico. Essa propriedade é usada em aparelhos de analises como cromatografos e nos exames antidoping, em que os componentes são separados por sua massa molecular. Podemos também determinar o período de rotação nas órbitas circulares das partículas, levando em consideração o seu movimento circular uniforme, partido de sua velocidade escalar, o que nos leva a: Onde: m é a massa da partícula (Kg) Q é a carga da partícula (C) B é o campo magnético (T) FORÇA MAGNÉTICA EM CONDUTOR RETILÍNEO Como já foi visto, quando um fio condutor está sendo percorrido por uma corrente elétrica é gerado em sua redondeza um campo magnético de direção radial ao fio. Porém não podemos esquecer que quando a corrente elétrica atravessa um fio condutor, cada elétron está sofrendo a ação de uma força magnética. Por esses elétrons estarem confinados em um fio, constituindo assim a corrente elétrica i, podemos demonstrar facilmente que a força atuante nesse fio pode ser determinada pela expressão abaixo: B é o campo magnético (T) i é a corrente elétrica (A) L é o comprimento do fio (m) A direção da força magnética que atua em um condutor percorrido por corrente elétrica quando colocado sob a ação de um campo magnético é perpendicular a i e a B. o sentido da força pode ser determinado como anteriormente, porém note que a velocidade deve ser substituída pela corrente elétrica. OBS: 1 – Caso Quando a corrente for paralela ao campo magnético, teremos F 0 7 1 = 0º ou F 0 7 1 = 180º. Logo sen F 0 7 1 = 0, o que nos leva a concluir que a força magnética será nula 2 – Caso Quando a corrente for perpendicular ao campo magnético, teremos F 0 7 1 = 90º . Logo sen F 0 7 1 = 1, o que nos leva a concluir que a força magnética será máxima. FORÇA MAGNÉTICA ENTRE FIOS PARALELOS Quando dois fios condutores são dispostos paralelamente um ao outro, podemos perceber que entre eles passa a ocorrer uma força que pode se atrativa ou repulsiva para os fios. Analisando as figuras abaixo podemos mostrar o que ocorre quando um fio é colocado junto à outro. A figura acima representa as situações em que os fios são percorridos por correntes de mesmo sentido (ATRAÇÃO) e percorridos por correntes de sentidos opostos (REPULSÃO) . podemos determinar a intensidade da força entre os fios pela expressão: F 0 6 D é a permeabilidade magnética i1 e i2 são as correntes nos fios L é o comprimento dos fios d é a distância entre os fios EXERCÍCIOS Questão 1. Um elétron penetra entre as placas de um capacitor plano, de placa paralelas mostrado a seguir. Sabendo que entre as placas do capacitor existe um capo elétrico de intensidade E = 1,5 . 102 N/C e que o elétron penetra com velocidade v = 5 . 105 m/s, analise as afirmações feitas sobre esse evento: 0 0 – Se o elétron tiver movimento na direção perpendicular às linhas de força, tenderá a seguir a direção das linhas 1 1 – Se o elétron entrar perpendicularmente às linhas de força, para ter movimento retilíneo, deve haver um campo magnético com direção perpendicular ao plano do papel 2 2 – O elétron nunca poderia mover-se a favor das linhas de força, mesmo na presença de um fortíssimo campo magnético 3 3 – Para o elétron atravessar o capacitor em linha reta deverá existir um campo magnético com intensidade B = 3 . 10–4 T 4 4 – Se tivéssemos um próton no lugar de um elétron, nada seria mudado, pois o que interessa é o módulo da carga elétrica. Questão 2. Uma partícula elétrica de carga 5 F 0 6 DC desloca-se com velocidade de 1000 m/s, formando um ângulo de 30º com um campo magnético uniforme de intensidade 8 . 104 T, mostrado na figura a seguir. Sobre o movimento dessa partícula analise os itens: 0 0 – A força magnética que atua na partícula deve ter direção paralela ao plano do papel 1 1 – A intensidade da força que atua na partícula é Fm = 200 N. 2 2 – O sentido da força magnética é saindo do plano do papel 3 3 – Se o sinal da carga elétrica da partícula fosse negativo a força magnética que atua na partícula mudaria de direção 4 4 – se o ângulo formado entre V e B fosse 0ºo movimento da partícula não dependeria do campo magnético. Questão 3. Um elétron com velocidade 3 . 106 m/s penetra seguindo uma direção perpendicular, em um campo magnético de intensidade 8 . 10–5 T. a massa do elétron é 9,1 . 10–31 Kg e sua carga é 1,6 . 10–19 C. Determine o raio da trajetória descrita pelo elétron. Questão 4. Uma partícula F 0 6 1 (possuindo massa m = 6,4 . 10–27 Kg e carga q = 3,2 . 10 –19C) penetra em uma região do espaço contendo um campo magnético uniforme de módulo B = 5 T com velocidade 5 . 107 m/s, perpendicular à direção do campo, descrevendo uma trajetória circular de raio R. Nessas condições: 0 0 – Em qualquer ponto da trajetória, a força magnética será perpendicular à velocidade. 1– Circuito primário Circuito contendo N1 espiras enroladas no núcleo de ferro, onde se estabelece uma ddp U1 entre os terminais do fio condutor 2– Circuito secundário Circuito contendo N2 espiras também enroladas no núcleo de ferro, onde se estabelece uma ddp U2 entre os terminais do fio condutor. Podemos determinar a mudança de tensão em um transformador dependendo do número de espiras nos dois circuitos presentes, além de estabelecer a relação entre a corrente elétrica e a tensão de cada circuito. As duas equações são mostradas a seguir: EXERCÍCIOS Questão 1. A figura a seguir representa uma espira circular, colocada perpendicularmente às linhas de indução de um campo magnético uniforme B restrito à região indicada: 0 0 – O fluxo magnético através da espira independe da intensidade do campo magnético 1 1 – O fluxo magnético através da espira, é máximo 2 2 – Um movimento vertical e ascendeste da espira nela produzirá uma corrente induzida, no sentido anti- horário. 3 3 – O deslocamento horizontal da espira para a esquerda, nela produzirá uma corrente induzida, no sentido horário, para um observador situado acima do plano da espira 4 4 – Caso a espira fosse colocada paralelamente às linhas e indução o fluxo magnético que atravessaria a espira seria zero. Questão 2. Uma espira condutora mostrada na figura, está penetrando em uma região onde existe um campo magnético B = 0,5 T, perpendicular e entrando no plano do papel com velocidade constante v = 10 m/s, passando sucessivamente pelas posições (1), (2) e (3). Nessas condições analise as afirmações: 0 0 – Quando a espira está passando pela posição (1), o fluxo magnético através dela está aumentando 1 1 – Quando a espira está passando pela posição (2), o fluxo magnético através dela é 10–2 T.m2. 2 2 – A força eletromotriz induzida na espira na posição (2) é de 0,5 V 3 3 – O sentido da corrente induzida a posição (1) é o mesmo que na posição (3) 4 4 – Na posição (3) a corrente induzida possui sentido anti- horário. Questão 3. Sobre um transformador ideal em que o número de espiras do enrolamento secundário é menor que do enrolamento primário, assinale o que for correto. 0 0 – A potencia elétrico na entrada do enrolamento primário desse transformador é igual à potencia elétrica na saída desse transformador 1 1 – Se ligarmos os terminais do enrolamento primário a uma bateria de 12 V, teremos uma ddp menor no enrolamento secundário 2 2 – A energia do enrolamento primário é igual à energia do enrolamento, caracterizando o princípio da conservação da energia 3 3 – As corrente nos enrolamento primários e secundários desse transformador são iguais 4 4 – A transferência de potencia do enrolamento primário para o secundário não ocorre por indução. Questão 4. A figura mostra uma barra metálica AB de comprimento L = 10 cm e resistência R = 0,5 F 0 5 7, deslocando- se sem atrito para a direita, com velocidade de 5 m/s, sobre trilhos condutores, de resistência desprezível. De acordo com a figura, existe na região, um campo magnético de módulo B = 1,2 T. em um determinado instante, a barra se encontra a uma distância X do ponto O. Analise os itens sobre o evento: 0 0 – Surge na barra uma força eletromotriz de intensidade F 0 6 5 = 60 V 1 1 – A fem induzida gera uma corrente elétrica induzida i = 1,2 A 2 2 – O sentido da corrente gerado é de A para B 3 3 – A lei que rege a indução eletromagnética é a Lei de Ampere 4 4 – A taxa com que a energia térmica está sendo dissipada na barra é de 0,72 W ONDAS ELETROMAGNÉTICAS I – INTRODUÇÃO As ondas eletromagnéticas são originárias de dois efeitos: um campo magnético variável produz um campo elétrico e um campo elétrico variável produz um campo magnético, quando estes se propagam pelo espaço. Os alicerces sob os quais se estruturam as ondas eletromagnéticas baseiam-se em duas hipóteses propostas por Maxwell: 1 – Campos magnéticos e elétricos interagem-se de maneira inversa. 2 – Os efeitos dos campos elétricos e magnéticos são equivalentes. Nos seus estudos Maxwell descobriu que as propagações dos campos elétricos e magnéticos apresentavam as características de uma onda, do tipo transversal. Foi possível determinar a velocidade dessas ondas no espaço usando a equação mostrada: F 0 6 50 é a permitividade elétrica (1/4F 0 7 0. 9.109) F 0 6 D0 é a permeabilidade magnética (4F 0 7 0..10– 7) II – ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO O espectro eletromagnético consiste numa ampla faixa de variação dos comprimentos de onda e freqüências das ondas eletromagnéticas, que podem se relacionar por uma equação já conhecida. c é a velocidade da luz no vácuo f é a freqüência F 0 6 C é o comprimento de onda 1 – Ondas de Rádio As ondas de rádio são ondas que possuem freqüência entre 104 e 107 Hz. Uma das características mais marcantes das ondas de rádio é o fato de serem facilmente refletidas pela ionosfera terrestre, o que permite a facilidade de transmissão dos sinais. Outra característica notável das ondas de rádio é a capacidade de se difratarem, devido ao grande comprimento de onda que possuem 1 a 107 m. Por sua vez ondas de rádio com freqüência de aproximadamente 108 Hz e comprimento 1 m são transmitidas com uso de estações repetidoras ou com o uso de satélites artificiais. As ondas de rádio mais comum são do tipo AM e FM que são usadas para transmitir sinais provenientes das emissoras. As ondas do tipo AM possuem Amplitude Modulada, o que se faz pelo sinal de áudio e torna a sua propagação irregular, principalmente em locais que possuem muitos obstáculos, prejudicando assim a qualidade da transmissão. Por sua vez, as ondas FM possuem Freqüência Modulada, o que permite uma maior fidelidade à qualidade da transmissão visto que durante a propagação da onda a freqüência da mesma não se altera. 2 – Microondas As microondas são ondas emitidas com freqüência na faixa e 109 a 1011 Hz e comprimento entre 1 e 10–3 m, e são muito úteis em aparelhos como radares e para telecomunicações. Uma grande aplicação dessas radiações é no forno de microondas, onde os alimentos hidratados sofrem uma elevação da temperatura das moléculas de água presentes em suas estruturas fazendo com que os alimentos coziem rapidamente quando atravessados por essas ondas. Os recipientes como plásticos, latas e vidros por não possuírem grande teor de hidratação não sofrem tanta influência dessa radiações. 3 – Infra Vermelho e Ultravioleta Os raios infra vermelhos possuem comprimento de onda na faixa entre as microondas e o vermelho visível e é chamada de calor radiante. Os raios ultravioletas por sua vez possuem comprimentos de onda menor que o da luz violeta visível e é o responsável tanto pelo bronzeamento como pelas queimaduras provocadas pelo Sol. OBS: O protetor solar é um grande aliado no combate às queimaduras provocadas na pele pela exposição prolongada aos raios Solares. O fator de proteção solar FPS é determinado pelo tempo de exposição segura para a pele protegida pelo tempo de exposição segura para a pele protegida. 4 – Luz Visível A faixa na qual o olho humano consegue detectar pigmentação das cores nos objetos é muito limitada, variando em torno de 10–6 m. O maior comprimento que podemos perceber sem uso de aparelhos é o vermelho que possui comprimento aproximadamente 7,5.10–7 m e freqüência 4.1014 Hz. A sensação visual das cores vão sendo alteradas de acordo com alterações nos respectivos comprimentos de onda, notando que à medida que o comprimento vai diminuindo, a sensação muda respectivamente na seqüência: Vermelho, Alaranjado, Amarelo, Verde, Azul, Anil e Violeta, este ultimo com comprimento de onda aproximadamente 4.10–7 e freqüência 7,5.1014 Hz. OBS: A luz visível fica na faixa de freqüência entre 4.1014 a 7,5.1014 Hz e na faixa de comprimento entre 7,5.10–7 a 4.10–7 m. 5 – Raios X e Raios F 0 6 7 Os Raios X são radiações provenientes do choque dos elétrons em movimento com algum corpo metálico. Vale lembrar que os Raios X possuem freqüências maiores que as das radiações ultravioletas, o que provoca a sua penetração em objetos maciços e opacos, ionizando átomos e moléculas. Usando essas características é que podemos usar os Raios X na obtenção de radiografias, pois os raios X penetram facilmente pela pele e músculos e são absorvidos pelos ossos ricos em cálcio de grande densidade. Os Raios F 0 6 7 por sua vez, possuem freqüências acima dos Raios X e são emitidas pelos núcleos de elementos radioativos em desintegração. A utilização dos Raios F 0 6 7 está ligada à medicina, principalmente em tomografias com contrastes ( soluções com baixa concentração de elementos radioativos como o Iodo que se deposita na Glândula Tireóide). FÍSICA QUÂNTICA I – ENERGIA QUANTIZADA Em 1900 surge uma teoria que visava explicar como a energia emitida por corpos aquecidos se relacionava com a temperatura e com o comprimento da onda emitida por tais corpos aquecidos. Max Planck propôs que um elétron, oscilando com freqüência f pode emitir ou absorver uma onda eletromagnética de mesma freqüência, porém a energia emitida ou absorvida vinha como “pacotes” transportados por partículas denominadas fótons. Esses “pacotes de energia” são chamados de quantum os quais possuem quantidades de energia que podem ser determinadas pela equação: f é a freqüência da onda h é a constante de Planck (6,63.10–34 J.s) OBS: O modelo da energia quantizada foi muito importante no entendimento da natureza da radiação emitida por um irradiador ideal (Corpo Negro), o qual só emite radiação pelas suas cavidades. II – EFEITO FOTOELÉTRICO A partir do início do século XX já se sabia que quando certas radiações incidem sobre determinados metais, alguns elétrons são arrancados da superfície desses metais. Esse é o resultado da interação entre radiações e matéria, causando a absorção de fótons e liberação de elétrons. Vale a pena esclarecer que a energia transferida dos fótons aos elétrons deve obedecer a um valor mínimo para que ocorra o fenômeno. Esse valor mínimo é conhecido como Função Trabalho do metal (F 0 6 6) e depende da natureza do metal. Caso a quantidade de energia transferida dos fótons para os elétrons seja maior que a energia mínima, os elétrons são arrancados do metal e o restante da energia é convertida em energia cinética conhecida como Energia Cinética Máxima (EcMax) do elétron. Essa energia pode ser determinada de acordo com a equação: Como existe uma energia mínima para que o elétron escape do metal, podemos associar a essa energia uma freqüência mínima (f0), o que nos leva a crer que a Função Trabalho do metal e a energia cinética máxima do elétron podem ser escritas da seguinte forma: OBS: 1 – Abaixo da freqüência mínima (f0) não ocorre efeito fotoelétrico por mais que se aumente a intensidade da luz sobre o metal. 2 – Acima da freqüência mínima (f0) Aumentando-se a intensidade da luz sobre o metal, os elétrons são emitidos com maior energia cinética. 3 – Para aumentar a quantidade de elétrons liberados deve-se usar ondas de freqüências maiores. III – EFEITO COMPTON É o efeito da emissão de raios X sobre alguns materiais como a grafite, provocando o efeito fotoelétrico e outro efeito inesperado. Alguns fótons que se chocaram com os elétrons livres causaram o efeito fotoelétrico, enquanto outros perderam energia e se espalharam com uma freqüência menor que a que tinham quando incidiram.
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