Fisica elementar vol 4 Fisica

Fisica elementar vol 4 Fisica

(Parte 1 de 5)

Maria Antonieta T. de AlmeidaVolume 4 - Módulo 4 Introdução às Ciências Físicas 2

Apoio:

Material Didático

A447i

Almeida, Maria Antonieta T. de.

Introdução às ciências físicas 2. v.4 / Maria Antonieta T. de

Almeida. — Rio de Janeiro : Fundação CECIERJ, 2007. 181p.; 21 x 29,7 cm.

ISBN 85-89200-2-1

História da eletricidade. I. Título

1. Eletrostática. 2. Energia elétrica. 3. Circuitos elétricos. 4. CDD: 530.1

Referências Bibliográfi cas e catalogação na fonte, de acordo com as normas da ABNT.

Copyright © 2005, Fundação Cecierj / Consórcio Cederj

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Fundação Cecierj / Consórcio Cederj

Presidente Masako Oya Masuda

Coordenação do Curso de Física Luiz Felipe Canto

ELABORAÇÃO DE CONTEÚDO Maria Antonieta T. de Almeida

EDITORA Tereza Queiroz

COORDENAÇÃO EDITORIAL Jane Castellani

Cristine Costa Barreto

COORDENAÇÃO DE LINGUAGEM Maria Angélica Alves

E REVISÃO Alexandre Rodrigues Alves Márcia Pinheiro Nilce P. Rangel Del Rio

REVISÃO TIPOGRÁFICA Equipe CEDERJ

COORDENAÇÃO GRÁFICA Jorge Moura

PROGRAMAÇÃO VISUAL Katy Araújo

ILUSTRAÇÃO Fábio Muniz de Moura

Morvan de Araujo Neto

CAPA Bruno Gomes Fábio Muniz de Moura Reinaldo Lee

EDITORAÇÃO DE FÓRMULAS Giuseppe Luigi Toscano

PRODUÇÃO GRÁFICA Andréa Dias Fiães Fábio Rapello Alencar

Universidades Consorciadas

Governo do Estado do Rio de Janeiro

Secretário de Estado de Ciência e Tecnologia Governador

Alexandre Cardoso Sérgio Cabral Filho

Reitor: Raimundo Braz Filho

UERJ - UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitor: Nival Nunes de Almeida

Reitora: Malvina Tania Tuttman

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UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Reitor: Cícero Mauro Fialho Rodrigues

REITOR Prof. Dr. Carlos Edilson de Almeida Maneschy

VICE-REITOR Prof. Dr. Horacio Schneider

PRÓ-REITORA DE ENSINO DE GRADUAÇÃO Profa. Dra. Marlene Rodrigues Medeiros Freitas

COORDENADOR GERAL DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Prof. Dr. José Miguel Veloso

DIRETOR DO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS Prof. Dr. Mauro de Lima Santos

COORDENADORA DO CURSO DE FÍSICA À DISTÂNCIA Profa. Dra. Fátima Nazaré Baraúna Magno

Este material foi gentilmente cedido pelo Consórcio CEDERJ, para o uso restrito da Licenciatura em Física na modalidade a distância sem ônus para a UFPA.

MÓDULO 4 – Resultados experimentais versus modelos: os fenômenos elétricos

Recomeçando9
Introdução1
Que sei sobre a interação eletrostática?12
Produção, transmissão e utilização de energia elétrica13
“Blackout na sexta-feira”13
Leituras e exercícios 117
Cargas elétricas, isolantes e condutores18
Cargas elétricas18
“Um dia seco de inverno”18
Leituras e exercícios 226
Isolantes e condutores27
“A descoberta dos condutores”27
Leituras e exercícios 331
Forças elétricas32
A Lei de Coulomb32
“Saudades do professor Edmundo”32
Leituras e exercícios 442

Aula 1 – Interação eletrostática

Introdução45
Que sei sobre campo elétrico?46
Campo elétrico47
“Uma varinha mágica”47
Leituras e exercícios 554

Aula 2 – Campos elétricos

Introdução às Ciências Físicas 2SUMÁRIO Volume 4 - Módulo 4

Introdução57
Que sei sobre potencial elétrico?58
Potencial elétrico59
Princípio da conservação da energia59
“O defeito na lâmpada”59
Leituras e exercícios 673
Potencial elétrico74
“Uma aula e voltagem para vestibulandos”74
Leituras e exercícios 781

Aula 3 – Potencial elétrico

Prática 183
Experimento 1- Mapeamento do campo em uma cuba eletrolítica com eletrodos retos85
Experimento 2- Mapeamento do campo em uma cuba eletrolítica com eletrodos circulares8

Aula 4 – Mapeando equipotenciais

Introdução91
Que sei sobre correntes elétricas e suas fontes?92
Correntes elétricas93
“Um curto-circuito”93
Fontes de correntes elétricas100
“Arrombando um armário mágico”100
Leituras e exercícios 8104

Aula5 – Corrente elétrica e suas fontes

Prática 2105
Experimento 3 – A lei de Ohmn106
Experimento 4 – A voltagem nos terminais da fonte112
Experimento 5 – A lei dos nós114
Experimento 6 – A lei das malhas116

Aula 6 – Lei da malhas e lei dos nós

Introdução119
Que sei sobre a distribuição de energia em um circuito elétrico?120
Modelo clássico de condução121
“Nem tanto ao mar nem tanto à terra”121
Leituras e exercícios 9132
Distribuição de energia em circuitos elétricos133
“Feriado em Teresópolis”133

Aula 7 – Distribuição de energia em um circuito, aspectos teóricos Leituras e exercícios 10....................................................................................................................... 138

Pratica 3139
Experimento 7 – Medindo resistências141
Experimento 8 – A luminosidade de uma lâmpada e a corrente elétrica145

Aula 8 – Distribuição de energia em um circuito, aspectos experimentais Experimento 9 – Distribuição de energia em resistores ligados em série no quadro de luz I

(corrente contínua)147

Experimento 10 – Distribuição de energia em resistores ligados em paralelo no quadro de luz I

(corrente contínua)149

Experimento 1 – Distribuição de energia em resistores ligados em série no quadro de luz I

(corrente alternada)151

Experimento 12 – Distribuição de energia em resistores ligados em paralelo no quadro de luz I

(corrente alternada)154
E para terminar157
Historia da eletricidade159

Complemento 1

Medindo grandezas elétricas com o multímetro171
Referências Bibliográficas179

Recomeçando...

Resultados experimentais versus modelos: os fenômenos elétricos

Você está recebendo agora o material referente ao quarto módulo de nosso curso. Neste momento, entraremos no mundo da eletricidade. Nele, serão apresentadas a interação entre cargas elétricas, a distribuição de correntes elétricas e de energia em um circuito elétrico. Algumas das leis associadas aos fenômenos elétricos serão verificadas experimentalmente.

As principais dúvidas e conceitos de eletricidade são apresentados na forma de histórias e experiências entre os membros da família Silva e entre eles e professores e colegas de escola.

Inicialmente, analisaremos os fenômenos associados ao aparecimento de cargas elétricas. Caracterizaremos a matéria de acordo com a mobilidade das cargas elétricas no seu interior. Descreveremos a interação entre cargas elétricas como uma ação a distância e através de campos elétricos. Introduziremos o conceito de potencial elétrico, que será utilizado para entender a distribuição de correntes elétricas e de energia nos circuitos.

As aulas deste módulo devem ser complementadas por leituras e exercícios dos livros de Antonio Máximo e Beatriz Alvarenga: Física - volume único, e do Gref: Física 3.

tuído de oito aulas, e iniciado por este texto, Recomençando(que você está lendo)

Este módulo foi previsto para ter duração média de quatro semanas. É constie acaba no E para terminar...

As aulas são: 1. Interação eletrostática 2. Campos elétricos 3. Potencial elétrico 4. Mapeando eqüipotenciais 5. Corrente elétrica 6. Lei das malhas e lei dos nós 7. Distribuição de energia em um circuito - aspectos teóricos 8. Distribuição de energia em um circuito - aspectos experimentais

Ao final do módulo você encontrará também complementos sobre a história da eletricidade, sobre a utilização de um multímetro e a bibliografia.

Este módulo é acompanhado também por um cd-rom e um vídeo. O cd-rom contém vários dos experimentos descritos nas aulas 1 e 2. O vídeo apresenta o fenômeno da blindagem eletrostática e do aterramento. Como são partes integrantes do material didático, você deve assistir a eles com atenção.

Cd-rom: Eletricidade Vídeo 3: Blindagem eletrostática

O material para os experimentos a serem realizados no pólos já está disponível, e os tutores conhecem bem o material.

Os principais conceitos abordados são: • carga elétrica;

• isolantes e condutores;

• força elétrica;

• campo elétrico;

• voltagem;

• corrente elétrica;

• potência elétrica.

Para acompanhar as discussões feitas, você precisa conhecer as idéias básicas de trigonometria, saber manipular funções trigonométricas simples e dominar a mecânica da partícula, apresentada no Módulo 3.

Interação eletrostática

1 MÓDULO 4 - AULA 1

C E D E R J11 C E D E R J11

Interação eletrostática

Objetivos Discutir a interação entre cargas elétricas em repouso.

Introdução

Esta aula tem como finalidade discutir a interação entre cargas elétricas em repouso. Será apresentado o modelo de ação a distância proposto por Coulomb.

Esta aula é constituída de oito partes:

Que sei sobre a interação eletrostática? É um questionário que organiza os conhecimentos que você já tem sobre a interação eletrostática.

Produção, transmissão e utilização da energia elétrica contém o texto

“Blackout na sexta-feira” que apresenta a família Silva e ressalta a importância da energia elétrica em uma residência. O dia-a-dia da família Silva é o ambiente de discussão informal dos conceitos abstratos da eletricidade.

O item Cargas elétricas isolantes e condutores contém textos que resumem as principais propriedades das cargas elétricas e dos materiais isolantes e condutores, além de uma atividade.

A parte Forças elétricas contém um texto que resume as principais propriedades das forças elétricas, e também uma atividade.

Nas Leituras e exercícios de 1 até 4 há indicações de leituras, pequenas atividades experimentais, vídeos e exercícios. As leituras tratam dos mesmos assuntos dos textos, nos livros Física - volume único, de Beatriz Alvarenga e Antonio Máximo, e Física 3 (Eletromagnetismo), do GREF.

Faça as leituras de forma sistemática, realizando as atividades (exercícios e leituras extras) sugeridas ao longo do texto. Use seu caderno para anotações e comentários, além de resolução de atividades.

Não deixe de refazer nenhum dos exemplos sugeridos, nem os exercícios.

Bom trabalho!

Interação eletrostática

Que sei sobre interação eletrostática?

As questões apresentadas a seguir têm como finalidade investigar e organizar as idéias que você já tem sobre interação eletrostática. Escreva as respostas às questões de forma organizada em seu caderno. Não consulte livros nem notas de aulas e responda a todas elas. A comparação entre as suas idéias e os conhecimentos sobre a interação eletrostática, antes e depois de trabalhar este módulo, é importante para o seu aprendizado.

Questionário 1

1. O que são cargas elétricas? 2. Quais os tipos de cargas elétricas que existem? 3. Marque a alternativa correta: ( ) Cargas elétricas de mesmo tipo se atraem e de tipos diferentes se repelem. ( ) Cargas elétricas de tipos diferentes se atraem e do mesmo tipo se repelem. 4. O que são isolantes? 5. O que são condutores? 6. Quais são os processos que eletrizam isolantes? 7. Quais os processos que eletrizam condutores? 8. Enuncie o princípio da conservação da carga elétrica.

9. Descreva o modelo de ação a distância que descreve a interação entre cargas elétricas em repouso (interação eletrostática). Você sabe quem propôs esse modelo?

10. Enuncie o princípio da superposição para forças elétricas.

Interação eletrostática

Interação eletrostática

13 MÓDULO 4 - AULA 1

C E D E R J13 C E D E R J13

Produção, transmissão e utilização da energia elétrica.

“Blackout na sexta-feira”

São oito horas da noite de uma sexta-feira. A família Silva segue a sua rotina.

Paula, a mãe, lê um livro policial na sala. Roberto, o pai, assiste ao noticiário na TV. Ana, a filha com oito anos, vê no quarto um desenho animado no vídeocassete. Fátima, a filha de 19, estuda para uma prova de eletromagnetismo do seu curso de Física. André, o filho de 14, joga no seu computador. Ronaldo, o filho de 17 anos, passa a roupa que vestirá à noite para ir à discoteca. Os sons da lavalouça e da máquina de lavar roupa tomam toda a casa.

De repente, a casa fica escura e silenciosa. Ouvem-se gritos e correrias.

Paula procura velas, encontra-as e com elas ilumina a sala. Todos os seus filhos, como mariposas, juntam-se a ela. Roberto, com sua lanterna, se dirige à caixa de disjuntores e grita: “Os disjuntores estão ligados. Dêem uma olhada pela janela para ver se a falta de luz foi geral!” Ronaldo responde: “A rua está toda apagada!”. Ao ouvir isso, Roberto pede: “Desliguem todos os aparelhos elétricos!” e se reúne à família.

Ana choraminga, lamentando a interrupção do seu desenho, e pede para alguém consertar o seu vídeo-cassete.

André explica, com jeito de quem sabe tudo: “Ana, o vídeo-cassete não funciona quando está faltando luz”.

apagada, o vídeo-cassete funciona do mesmo jeitoQuero ver a continuação do

A menina não aceita a explicação: Mas quando a luz do quarto está meu desenho!”

Interação eletrostática

Paula explica à filha que a luz apagou porque faltou energia elétrica, e o vídeo-cassete só funciona quando recebe essa energia.

Figura 1 - Transmissão de energia pela rede elétrica.

– Mãe, o que é energia elétrica? Quem pode arranjar um pouco dessa energia para colocar no vídeo-cassete, só para ver o finalzinho do desenho?

Roberto entra na história: “Ana, a energia elétrica é produzida muito longe daqui, não dá para trazê-la numa caixinha, viu? Ela chega até nossa casa pelos fios que estão presos nos postes da rua. Quando você liga o vídeo-cassete na tomada, a energia elétrica entra pelo fio que vem da rua para nossa casa, sai pela tomada e aciona o vídeo-cassete”.

Ana reclama que continua sem entender por que o seu desenho animado tinha sumido: “Mas eu não desliguei nenhuma tomada...”

Com paciência, Paula comenta que o fio da rua deve ter quebrado e que alguém já devia estar fazendo o conserto. Dali a pouco a luz deve voltar. Ronaldo pega o telefone para tentar descobrir quanto tempo vai demorar o conserto.

André está estudando Ciências na escola, e aprendeu que uma lâmpada também precisa de energia elétrica para acender. Lembra-se da lanterna que o pai utilizou para ver a caixa de luz, na cozinha. Curioso, ele também passa a perguntar: “Por que a energia elétrica que acende a luz da lanterna pode ser guardada na pilha e transportada e a que vem da tomada não pode? Elas são diferentes?”

Fátima, que até então estava alheia àquela conversa, explica: “Os aparelhos para funcionarem precisam ser ligados a uma fonte de energia elétrica. A pilha e a rede elétrica são fontes de energia elétrica. A energia elétrica que a pilha fornece e a energia elétrica que vem pela tomada são iguais. Mas as pilhas fornecem pouca energia e perdem a carga rapidamente.”

Interação eletrostática

Interação eletrostática

15 MÓDULO 4 - AULA 1

C E D E R J15 C E D E R J15

– É mesmo, meus amigos que têm walkman® gastam uma “nota” comprando pilhas, diz Ana.

– A rede elétrica pode fornecer grandes quantidades de energia – continua

Fátima. Então, seria necessária uma caixa muito grande para guardar a energia elétrica suficiente para abastecer uma casa. Vocês lembram? Antes de a luz apagar, as lâmpadas, a geladeira, o freezer, os televisores, o vídeo-cassete, o computador, as máquinas de lavar louça e de lavar roupa e o ferro de passar estavam consumindo energia elétrica!

Empolgada, ela continua: “A energia produzida em uma fonte de energia elétrica pode estar guardada em uma represa, sob a forma de energia potencial gravitacional, em uma pilha sob a forma de energia química ou pode estar na forma de energia nuclear etc. Ela é produzida continuamente. Nas represas, quando as comportas são abertas, fazendo a água movimentar as turbinas; nas pilhas ao se iniciar uma reação química; nas usinas nucleares, ao iniciar uma reação nuclear.”

André comenta, com ar de ironia e enfado: “Lá vem a sabichona com as suas palavras incompreensíveis: energia química, energia elétrica, energia nuclear etc. etc.”

natureza: a energia do movimento, a energia térmica, a energia químicaSempre é

Ronaldo intervém em favor da irmã dizendo que André está exagerando, como sempre. “Outro dia vi você estudando o capítulo sobre energia no seu livro de Ciências. Logo você já deveria saber que existem vários tipos de energia na possível transformar um tipo de energia em outro. Por exemplo, quando aquecemos água e produzimos vapor e esse vapor é utilizado para movimentar um catavento estamos transformando energia térmica em energia do movimento. As fontes de energia elétrica transformam outros tipos de energia em energia elétrica.

André resmunga: “O meu professor já falou de energia e eu já estudei a matéria. Mas ainda não consegui compreender direito o que é energia.”

A luz volta. Ana corre para ligar o vídeo-cassete. Todos retomam suas atividades. Menos André e Fátima, que continuam conversando.

– Mas como é possível que a mesma energia seja responsável pelo funcionamento de coisas tão diferentes, como um ferro elétrico, um televisor e um liquidificador?”

Figura 2 – Usina hidroelétrica.Figura 3 - Usina nuclear.

Ver discussão sobre o princípio de conservação da energia na Aula 3

Interação eletrostática

– Não tem nada estranho nisso. A energia é a mesma, mas os aparelhos são diferentes. Para entender melhor o assunto podemos dividir os aparelhos elétricos em três grupos utilizando como critério o tipo de energia produzido por eles. O grupo de aparelhos cuja função principal é transformar energia elétrica em energia térmica será denominado de resistivo. Os aparelhos do grupo resistivo possuem em geral um pedaço de fio, quase sempre em forma de espiral, denominado resistor. Quando ligado à tomada o resistor aquece transformando energia elétrica em energia térmica. Esse é o caso do chuveiro elétrico.

(Parte 1 de 5)

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