FÍSICA - ELETROMAGNETISMO

 CARGA ELÉTRICA

    Alguns dos fatos históricos apresentados na Cronologia mostram que, de fato, realizar experiências para demonstrar a existência de cargas e forças elétricas é muito simples. 

    Não vamos aqui repetí-los, vamos apenas enunciar a conclusão de Franklin, qual seja, 

(em comum com a massa)    Tanto quanto a massa, a carga elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria. E as observações experimentais permitiram a descoberta de importantes propriedades que a carga elétrica possui 

- as cargas elétricas criam e são sujeitas à forças elétricas, o que facilmente se observa dos experimentos de eletrização;

- cargas elétricas não podem ser criadas nem destruídas.

Princípio de conservação da carga elétrica

    Em relação a segunda das assertivas acima, quando um corpo é eletrizado por fricção, por exemplo, o estado de eletrização final se deve à transferência de cargas de um objeto para o outro. Não há criação de cargas no processo. Portanto, se um dos objetos cede uma certa carga negativa ao outro, ele ficará carregado positivamente, com a mesma quantidade de carga cedida ao outro. 

Esta observação é coerente com a observação de que a matéria neutra, isto é, sem excesso de cargas, contém o mesmo número de cargas positivas (núcleo atômico) e negativas (elétrons). 

Estabelecemos assim o princípio de conservação da carga elétrica. 

    Como exemplo podemos citar o chamado processo de aniquilação entre um elétron, carga -e e sua antipartícula, o pósitron, coma carga +e.

 Quando se aproximam, estas duas partículas podem desaparecer originando um par de raios g, partículas sem massa e sem carga mas com energias altas. O processo pode ser representado por:

Observe que a carga total antes e depois do processo é nula, conservando-se portanto. 

    Outro exemplo interessante ocorre nas estrelas e é conhecido como fusão. Neste caso, dois núcleos de deutério (hidrogênio pesado, ²H), composto por 1p e 1n se fundem com duas possibilidades finais, a saber,

.

    Na primeira, o resultado é um núcleo de trítio, ³H,, que possui 1p e 2n. 

Na segunda, resulta o isótopo do hélio ³He, que possui 2p e 1n. 

Nas duas possibilidades a soma final das cargas é + 2e, idêntica à situação

 inicial. 

Quantização da carga elétrica

    No século XVIII, a carga elétrica era considerada como um fluido continuo. Entretanto, no início do século XX, Robert MILLIKAN (1868-1953) descobriu que o fluido elétrico não era contínuo e, sim, que a carga elétrica era constituída por um múltiplo inteiro de uma carga fundamental e, ou seja a carga q de um certo objeto pode ser escrita como

q = ne, com n = 1, 2, 3, ...

tendo e o valor de 1,60 x 10^-19 C e sendo uma das constantes fundamentais da natureza*. 

    Podemos então dizer que a carga elétrica existe em pacotes discretos ou, em termos modernos, é "quantizada", não podendo assumir qualquer valor. 

    Todos os objetos da natureza contém cargas. Entretanto, na maioria das vezes não conseguimos percebe-las. Isto se deve ao fato de que os objetos contém quantidades iguais de dois tipos de cargas: cargas positivas e cargas negativas (conforme estabelecido por Franklin). 

Assim, a igualdade leva ao equlíbrio de cargas, e dizemos que os objetos são eletricamente neutros, ou seja, não possuem uma carga líquida. 

Por outro lado, se o equilíbrio for desmanchado, dizemos que que ele está eletrizado, i.e, uma carga líquida existirá, e o corpo poderá interagir eletricamente. 

    Outras experiências da época de Millikan mostraram que o elétron tem carga -e e o próton +e, o que assegura que um átomo neutro tem o mesmo número de prótons e elétrons. A Tabela 1.1 abaixo sumariza as cargas e massas dos constituíntes atômicos de interesse.

Tabela 1.1

Partícula	Carga (C)	Massa (Kg)
elétron	1,6021917 x 10-19	9,1095 x 10-31Kg
próton	1,6021917 x 10-19	1,67261 x 10-27Kg
nêutron	0	1,67492 x 10-27Kg

* Obs.: Na realidade, uma carga livre menor do que e nunca foi observada. Entretanto, teorias modernas propõem a existência de partículas com cargas fracionárias, os quarks, com cargas ±e/3 e ±2e/3. 

Tais partículas seriam as constituintes de várias outras partículas conhecidas, inclusive do próton e do nêutron. 

Indícios experimentais sobre a existência destas partículas no interior dos núcleos atômicos existem, embora elas nunca tenha sido encontradas livremente.

Isolantes, condutores, semicondutores e supercondutores

    Quanto a capacidade de conduzirem cargas elétricas, as substâncias podem ser caracterizadas como isolantes e condutores. 

    Isolantes são aquelas substâncias nas quais as cargas elétricas não podem se mover livremente com facilidade. Como exemplos, podemos citar a borracha, o vidro, o plástico e a água pura, entre outros. 

    Por outro lado, os condutores são aqueles materiais nos quais a movimentação das cargas (negativas, em geral) pode ocorrer livremente. Exemplos: metais, água da torneira, o corpo humano. 

    Mais recentemente, surgiram duas novas categorias para os materiais. Os semicondutores apresentam-se agora como uma terceira classe de materiais. Suas propriedades de condução elétrica situam-se entre as dos isolantes e dos condutores. Os exemplos mais típicos são o silício e o germânio, responsáveis pelo grande desenvolvimento tecnológico atual na área da microeletrônica e na fabricação de microchips. 

    Por fim, temos os supercondutores, materiais que a temperaturas muito baixas não oferecem resistência alguma a passagem de eletricidade. 

Foi descoberta 1911 por Kammerlingh ONNES que a observou no mercúrio sólido (à temperatura de 4,2 K). Atualmente já estão sendo desenvolvidas ligas (à base de Nióbio) que sejam supercondutoras a temperaturas mais elevadas facilitando, assim, sua utilização tecnológica Métodos de eletrização

    Dois são os métodos de eletrização mais conhecidos e utilizados: eletrização por condução (ou por "fricção") e eletrização por indução. 

    A eletrização por condução se dá quando friccionamos entre si dois materiais isolantes (ou condutores isolados) inicialmente descarregados, ou quando tocamos um material isolante (ou condutor isolado) inicialmente descarregado com outro carregado. Durante o contato, ocorre uma transferência de elétrons entre os dois objetos. 

    Suponhamos que carreguemos desta forma um bastão de borracha atritado com pele de animal e uma barra de vidro atritada com seda. Se suspendermos o bastão de borracha por um fio isolante e dele aproximarmos outro bastão de borracha carregado da mesma maneira, os bastões repelir-se-ão. O mesmo acontece para dois bastões de vidro, nesta situação. 

    Por outro lado, se aproximarmos a barra de vidro ao bastão de borracha, ocorrerá uma atração entre eles. 

    Evidentemente constatamos que a borracha e o vidro têm estados de eletrização diferentes, e pela experiência concluímos que; 

- cargas iguais se repelem;

- cargas diferentes se atraem.

    Franklin convencionou que a carga da barra de vidro é positiva e a do bastão de borracha é negativa. Assim, todo o corpo que for atraído pelo bastão de borracha (ou repelido pelo bastão de vidro) deve ter carga positiva. Da mesma forma, todo o corpo que for repelido pelo bastão de borracha (ou atraído pela barra de vidro) deve ter carga negativa. 

    No processo de eletrização por indução não há contato entre os objetos. Através da indução podemos carregar os materiais condutores mais facilmente. Vejamos como isto é possível. 

    Suponhamos que aproximemos o bastão de borracha (carga negativa) de uma barra metálica isolada e inicialmente neutra. As cargas negativas (elétrons) da barra metálica serão repelidas para regiões mais afastadas e a região mais próxima ao bastão ficará com um excesso de cargas positivas. Se agora ligarmos um fio condutor entre a barra metálica e a terra (o que chamamos de aterramento), os elétrons repelidos pelo bastão escaparão por este fio, deixando a barra carregada positivamente tão logo o fio seja removido. 

    Se, por outro lado, fôsse a barra de vidro (carga positiva) aproximada da barra metálica, esta última ficaria carregada negativamente, pois pelo fio condutor aterrado seriam atraídos elétrons da terra. 

    Observe que, em ambos os processos, os bastões carregados (indutores) não perderam carga alguma. 

    Situação parecida ocorre quando aproximamos objetos carregados dos isolantes. Novamente as cargas serão separadas no material isolante e, uma vez afastado o bastão indutor, as cargas não retornam às suas posições iniciais devido à pouca mobilidade que possuem no isolante. Dizemos então que o isolante ficou polarizado. 

O fenômeno da polarização será estudado em detalhes quando estudarmos os dielétricos. 

A força elétrica , Lei de Coulomb

    Realizando experências com sua balança de torção, Coulomb conseguiu estabelecer duas novas características fundamentais da força elétrica entre duas cargas puntuais: 

- é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas (dirigida ao longo da reta que as une);

- é proporcional ao produto das cargas.

    Estas observações, em conjunto com a repulsão/atração entre as cargas de sinais iguais/contrários, permitiram que ele formulasse, em 1785, a lei de força para a interação eletrostática entre duas cargas puntuais, que ficou conhecida como Lei de Coulb. Das observações experimentais, escreveu para o módulo desta força

onde k é uma constante, q_i é a carga da partícula i e r é a separação entre elas.

    O valor da constante k (conhecida como constante eletrostática ou de Coulomb) depende da escolha do sistema de unidades escolhido. No Sistema Internacional (SI) de unidades, a unidade da carga elétrica é o Coulomb (C), que é definida como a carga que elétrica que atravessa um condutor em 1 segundo (s), quando a corrente elétrica é de 1 ampère (A), que será definido mais adiante. Assim, experimentalmente,

Para simplificar os cálculos, usaremos o valor aproximado

.     A constante k pode ser também escrita como

onde e_o [ = 8,88542 x 10^-12C²/(Nm²)] é a constante de permissividade elétrica do vácuo, com vistas a simplificação de várias outras fórmulas. 

    Conhecendo-se a expressão para a intensidade da interação elétrica entre duas cargas puntuais, devemos agora estabelecer sua direção e seu sentido, uma vez que a força elétrica é uma grandeza vetorial. 

Já dissemos anteriormente que a força atua ao longo da reta que une as duas cargas. Veja Fig. 1.1.a ao lado que mostra duas cargas positivas e duas cargas negativas interagindo. A força que a carga q₁ exerce sobre a carga q₂ (de mesmo sinal) é , vetorialmente,
onde  é o vetor unitário que define a linha que une as duas cargas e aponta de q₁ para q₂ . Como a força elétrica é uma força de interação, a 3a. Lei de Newton nos diz que a carga q₂ exerce sobre q₁ uma força igual e contrária, ou seja,
Temos assim a configuração de repulsão entre as cargas de mesmo sinal. 
A Fig. 1.1.b mostra a orientação para as forças quando as cargas são de sinais contrários, ou seja, a configuração de atração entre elas.

    Se tivermos uma distribuição com n cargas, a força resultante em qualquer uma delas será dada pela soma vetorial das forças devidas às outras cargas. Desta forma, podemos escrever para a força resultante sobre a carga j como

 .

    Temos assim a superposição das forças eletrostáticas, que é um fato verificado experimentalmente. 

http://www.if.ufrgs.br/fis/EMVirtual/cap1/cargas.htm

FÍSICA - ACÚSTICA

SOM

O som está presente em quase todas as situações. Uma perturbação produzida em um ponto de um meio, propaga-se progressivamente a todos os pontos deste meio. A buzina, os alto-falantes da eletrola ou do rádio, o fone do telefone, são dispositivos capazes de transformar a energia elétrica em energia sonora.

O som propaga-se por meio de ondas, e as ondas transportam energia que se propaga através de um meio elástico como as ondas sonoras, ou até no vácuo como as ondas luminosas. Só se propaga em substâncias que podem ser comprimidas. Ele se propaga em gases, líquidos e sólidos.

No ar a velocidade de propagação do som é de 330 m/s. A partir de 0 c, há um aumento de 60 cm/s, para cada aumento de 1 c na temperatura do ar. Essa velocidade em líquidos é maior do que no ar, em média é de 1.435 m/s. Nos líquidos essa velocidade é muito grande, em média é de 3.000 m/s.

ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SOM

Timbre: é a qualidade do som que nos permite identificar sua origem.

Intensidade: é uma qualidade do som que nos permite distinguir sons fortes de sons fracos. A medida da intensidade do som é o decibel (dB). A intensidade de quando falamos é de 40 dB. A partir de 120 dB, o som começa a prejudicar nossa audição.

Altura: é uma qualidade do som que nos permite distinguir os sons graves dos agudos.

Quando além do som direto emitido recebemos o som refletido por um obstáculo, podem ocorrer três situações: o reforço, a reverbação e o eco.

Reforço: ocorre quando a diferença entre os instantes de recebimento do som refletido e do som direto é praticamente nula.

Reverberação: ocorre quando a diferença entre os instantes de recebimento dos sons é pouco inferior à 0,1s. 

A reverbereção, quando não exagerada, ajuda a compreensão do que está sendo dito por um orador num auditório.

Eco: toda vez que o som, ao se propagar, encontra um obstáculo, volta ao seu ponto de origem ocasionalmente o eco. Ele só existe a partir de uma distância mínima de 17 metros entre a origem do som e o obstáculo. 

Amplitude: é a altura de uma crista.

Freqüência: é o número de ondas formadas em um segundo. Uma medida de frequência de onda é o Hz.

Velocidade: cada onda se propaga com uma determinada velocidade. No ar, as ondas sonoras se propagam com a velocidade de 330 m/s; as ondas luminosas com a velocidade de cerca de 300.000 Km por segundo. Para calcular a velocidade de uma onda, aplica-se a seguinte fórmula: V = x 1, ou seja, velocidade igual a frequência vezes o comprimento da onda.

Por exemplo: A frequência de uma onda que se propaga no ar é de 80 vibrações por segundo, e seu comprimento é de 2m. Qual a velocidade de propagação desta onda?

V = x 1 → v = 80 x 2 → v = 160 m/s

Comprimento de Onda ()

As ondas sonoras que se propagam pelo meio têm uma certa extensão ou comprimento de onda () que pode ser definido como a distância mínima em que um padrão temporal da onda (ou seja, um ciclo) se repete. Compare com o período () que pode ser definido como o intervalo mínimo de tempo em que um padrão de vibração se repete em um certo ponto no espaço. Ou seja, o comprimento de onda está relacionado ao tamanho de um ciclo da onda sonora que se forma no espaço, enquanto que o período diz respeito ao tempo que esse mesmo ciclo leva para se formar.

O gráfico acima é um "instantâneo" de uma onda senóide onde o eixo vertical indica a variação de pressão, ou amplitude da onda, e o eixo horizontal o espaço. Note-se que o gráfico acima demonstra o padrão espacial de oscilação da pressão que ocorre no meio, medido em metros. 

(Não confundir com o gráfico que mostra o período da onda no qual o eixo horizontal se refere ao tempo!).

O padrão temporal da onda se move no espaço (com a velocidade de propagação). No tempo correpondente a um período (), a onda terá se deslocado exatamente o seu comprimento. Se a velocidade de propagação é dada pela distância percorrida dividida pelo tempo gasto, temos:

Por meio dessas relações podemos chegar a uma conexão quantitativa entre a representação espacial e temporal da onda, relacionando frequência ( ), período () e comprimento de onda 

() de uma corda numa mesma expressão:

http://www.coladaweb.com/fisica/ondas/ondas-sonoras

FÍSICA - ONDULATÓRIA

Ondulatória é a parte da Física que estuda as ondas, ou seja, qualquer perturbação (pulso) que se propaga em um meio. Seja ela, uma onda do mar ou até mesmo uma onda eletromagnética, como a luz.

 Chamamos de Fonte qualquer objeto que possa criar ondas. A onda é somente energia, pois ela só faz a transferência de energia cinética da fonte, para o meio. Portanto, seja ela qual onda for, não transporta matéria.

Exemplo: uma pedra jogada em uma piscina (a fonte), provocará ondas na água, pois houve uma perturbação. Essa onda se propagará para todos os lados, quando vemos as perturbações partindo do local da queda da pedra, até ir na borda. 

Uma sequência de pulsos formam as ondas.

Classificação das ondas segundo a sua Natureza

Ondas mecânicas São aquelas que precisam de um meio material para se propagar. Por exemplo: ondas no mar, ondas sonoras, ondas em uma corda etc.

Ondas eletromagnéticas São aquelas que não necessitam de um meio material para se propagar, ou se propagam em meios materiais. Por exemplo: luz, raio-x , sinais de rádio, etc. 

Classificação em relação à direção de propagação 

Segundo as direções em que se propaga, as ondas podem ser dividas em três categorias,

 Ondas unidimensionais: Só se propagam em uma direção (uma dimensão), como uma onda em uma corda.

Ondas bidimensionais: Podem se propagar em duas direções (x e y do plano cartesiano), como a onda provocada pela queda de um objeto na superfície da água.

Ondas tridimensionais: Estas se propagam em todas as direções possíveis, como ondas sonoras, a luz, etc. 

Classificação quanto a direção de propagação

Ondas longitudinais: Nas ondas longitudinais, a vibração da fonte é paralela ao deslocamento da onda. Exemplos de ondas longitudinais são as ondas sonoras (o alto falante vibra no eixo x, e as ondas seguem essa mesma direção), etc.

 Ondas transversais: Nas ondas transversais, a vibração é perpendicular à propagação da onda. Ex.: ondas eletromagnéticas, ondas em uma corda (você balança a mão para cima e para baixo para gerar as ondas na corda).

Características das ondas

Todas as ondas possuem algumas grandezas físicas, que são:

Frequência: é o número de oscilações da onda, por um certo período de tempo. A unidade de frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo, e é representada pela letra f.

 Então, quando dizemos que uma onda vibra a 60Hz, significa que ela oscila 60 vezes por segundo. 

A frequência de uma onda só muda quando houver alterações na fonte.

f = 1/T

Período: é o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI, é representado pela letra T, e é medido em segundos.

T = 1/f

Comprimento de onda: é o tamanho de uma onda, que pode ser medida em três pontos diferentes: de crista a crista, do início ao final de um período ou de vale a vale. Crista é a parte alta da onda, vale, a parte baixa. É representada no SI pela letra grega lambda (λ)

Amplitude: é a “altura” da onda, é a distância entre o eixo da onda até a crista. Quanto maior for a amplitude, maior será a quantidade de energia transportada.

Velocidade: todas as ondas possuem uma velocidade, que sempre é determinada pela distância percorrida, sobre o tempo gasto. Nas ondas, essa equação fica:

v = λ / T ou    v = λ . 1/T ou ainda v = λ . f

A maravilhosa coloração da bolha de sabão se da pela natureza ondulatória da luz e pelo fato  de ela ser composta por todas as cores que formam o espectro de luz visível ao olho humano. 

Quando a película que forma a bolha é iluminada com luz branca, como a luz solar, por exemplo, é formada por várias cores com diferentes comprimentos de onda, a bolha reflete as cores que são similares às cores do arco-íris, que são formadas em razão do fenômeno físico da interferência. Quando olhamos uma bolha num dia ensolarado, são notáveis mudanças de cor em sua superfície, parecendo as cores do arco-íris. Esta variação ocorre em razão da reflexão e refração da luz em sua superfície. Esse colorido que percebemos na superfície das bolhas deve-se a interferência entre os raios de luz refletidos e refratados na fina película da bolha de sabão. 

Na interferência construtiva, os raios de luz estão em fase e recombinam-se gerando novas cores, já na interferência destrutiva os raios de luz possuem  fases diferentes, dessa forma um raio de luz anula o outro e por esse motivo não enxergamos nenhuma cor, formando assim os pontos escuros.

Algo fascinante relacionado as bolhas de sabão é a sua explosão. Onde existem coisas que não são perceptíveis com os olhos, mas graças ao avanço tecnológico que nos trouxe câmeras que capturam imagem em alta velocidade, que nos proporcionam desfrutar das mais belas imagens geradas na explosão dessas bolhas.

http://jminandoideias.blogspot.com.br/2013/0http://papofisico.tumblr.com/post/36166632472/a-fisica-das-bolhas-de-sabao7/ondulatoria_30.html

FÍSICA - MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES (M.H.S)

Se um relógio de pêndulo for levado ao topo de uma montanha, ele atrasará ou adiantará em relação ao funcionamento na base da montanha? 

Qual a diferença de tempo, após um dia, na comparação com um relógio idêntico que ficou na base da montanha de 6,4 km de altura?

O primeiro passo é entender o movimento de um pêndulo. 

Para isso exemplifica-se um pêndulo de comprimento L, vê-se:

No pêndulo de comprimento L, a massa da partícula é m. O fio faz ângulo de oscilação com a vertical. As forças atuantes são o peso da partícula e a tração no fio. O peso é decomposto em uma componente radial azul e uma componente tangencial amarela. 

A componente radial é a força centrípeta que mantém a trajetória circular de raio L. A componente tangencial é a força restauradora do movimento.

Para que ocorra movimento harmônico simples é necessário que se considere o ângulo de oscilação, suficientemente, pequeno e quando isso acontece, as relações trigonométricas seguem os seguintes aspectos:

Como o ângulo de oscilação é pequeno o deslocamento da partícula pode ser considerado a distância x ao invés do arco de circunferência descrito. (erro de 0,1 %).

Analisa-se a componente radial da força resultante:

A velocidade angular do movimento é dada por:

Sabe-se, que o período do pêndulo depende do comprimento do pêndulo e da aceleração da gravidade local. O relógio de pêndulo utiliza esse período como sua medida de segundos, logo o período deve ser de 1 s para o relógio que funciona na base da montanha.

O segundo passo é entender a variação da gravidade local em relação a altitude. Considera-se um corpo de massa m na superfície da Terra de massa M e raio R. SejaP_o o peso do corpo nesta altitude zero e g_o a aceleração da gravidade neste local, como mostra a figura.

Considera-se um corpo de massa m na altitude h em relação à superfície da Terra de massa M e raio R. Seja P o peso do corpo nesta altitude e g a aceleração da gravidade neste local, como mostra a figura.

O terceiro passo é calcular a razão entre a gravidade na superfície da terra e no alto da montanha, tem-se:

Percebe-se, então, que a gravidade no alto da montanha é 0,2 % menor que na superfície da terra ao nível do mar. Este fato atrasa o relógio de pêndulo quando o mesmo esta no alto da montanha. Calcula-se a razão entre T o período do relógio no topo da montanha com gravidade g e T0 o período do relógio na base da montanha com gravidade g0:

O período do relógio na base da montanha é T0 = 1 s, cada ciclo do pêndulo dura 1 se movimenta o ponteiro do relógio em 1 s. Tem-se:

O relógio do topo da montanha demora 1 milésimo de segundo a mais para completar um ciclo do pêndulo. Quando o período é 1 s significa que o pêndulo completa 1 ciclo em 1 s e o número de ciclos em 1 dia que tem 24 h de 3.600 s é 86.400. Se o período aumenta o número de ciclos em 1 dia diminui, grandezas inversamente proporcionais. Tem-se:

O relógio da base da montanha conta 86.400 ciclos que indica 86.400 s ou 1 dia. Nesse mesmo período o relógio do topo da montanha conta 86.314 ciclos que indica 86.314 s menos que 1 dia. Calcula-se o atraso do relógio do topo da montanha:

O relógio no topo da montanha terá um atraso de 1 min e 26 s.

http://www.da-educa.com/2011/03/fisica-movimento-harmonico-simples-lei.html