trabalho de fisica
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TRABALHO DA FORÇA ELETRICA
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CONCEITO :
Consideramos a existência de um campo elétrico
criado por uma carga fixa Q. Se num ponto
qualquer desse campo abandonarmos uma carga
de prova q, atuará sobre ela uma força da de
natureza elétrica , que tende a deslocá-
la, espontaneamente, na sua direção e no seu
sentido.
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A força elétrica , ao deslocar a carga q no
sentido da força, realiza um trabalho
motor( > 0).
Se, no entanto, quisermos aproximar da
carga fixa Q uma carga de prova q de
mesmo sinal, ou afastar uma de sinal
contrário, teremos de realizar um trabalho
contra as forças de campo, para colocar a
carga de prova q numa posição não
natural.
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Dizemos, então, que a força elétrica
realiza um trabalho resistente (< 0) pois ela
é contrária, ao sentido do deslocamento.
Nessas condições, a carga q armazena o
trabalho sob a forma de energia
potencial, podendo restituí-lo no
deslocamento inverso, espontaneamente.
Essa é uma característica dos campos
conservativos.
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A força elétrica é uma força conservativa, pois todo
trabalho executado para vencê-la não é
perdido, ficando armazenado sob a forma de
energia.
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EXPRESSÃO DO TRABALHO DA FORÇA
ELÉTRICA
Consideramos um campo elétrico criado
por uma carga fixa Q, e uma carga de
prova q se deslocam de uma ponto A para
um ponto B devido a ação da força
elétrica.
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EXEMPLOS :
Consideramos o campo elétrico criado pela carga
puntiforme
Determine o trabalho realizado pela força elétrica para
deslocar uma carga
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CORRENTE ELÉTRICA
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CONCEITO:
A corrente elétrica consiste no movimento ordenado de cargas elétricas, através de um condutor elétrico. A corrente elétrica é definida como corrente elétrica real (sentido do movimento dos elétrons) e corrente elétrica convencional (consiste no movimento de cargas positivas).
Condutor é todo material que permite a mobilidade fácil dos elétrons, sendo os melhores condutores os metais. Quando o material não permite essa mobilidade dos elétrons , ele é dito isolante, por exemplo madeira.
Há dois tipos de corrente elétrica: corrente contínua - gerada por pilhas e baterias e corrente alternada - gerada por usinas que transformam qualquer tipo de energia em elétrica, a qual chega até nossas casas. A corrente elétrica que circula através dos resistores, pode transformar energia elétrica em energia térmica, sob efeito joule.
A passagem da corrente elétrica através dos condutores acarreta diferentes efeitos, dependendo da natureza do condutor e da intensidade da corrente. É comum dizer-se que a corrente elétrica tem cinco efeitos principais: fisiológico, térmico (ou Joule), químico, magnético e luminoso.
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EFEITO FISIOLÓGIGO :
corresponde à passagem da corrente elétrica por organismos
vivos. A corrente elétrica age diretamente no sistema
nervoso, provocando contrações musculares; quando isso
ocorre, dizemos que houve um choque elétrico.
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EFEITO TÉRMICO
O efeito térmico, também conhecido como efeito Joule, é
causado pelo choque dos elétrons livres contra os átomos dos
condutores. Ao receberem energia, os átomos vibram mais
intensamente. Quando maior for a vibração dos átomos, maior
será a temperatura do condutor. Nessas condições observa-
se, externamente, o aquecimento do condutor. Esse efeito é
muito aplicado nos aquecedores em geral, como o chuveiro.
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EFEITO QUIMICO
O efeito químico corresponde a certas reações químicas que
ocorrem quando a corrente elétrica atravessa as soluções
eletrolíticas. É muito aplicado, por exemplo, no recobrimento de
matais (niquelação, cromação, prateação, etc)
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EFEITO ELETROMAGNÉTICO
O efeito magnético é aquele que se manifesta pela criação de
um campo magnético na região em torno da corrente. A
existência de um campo magnético em determinada região
pode ser constatada com o uso de uma bússola: ocorrerá
desvio de direção da agulha magnética. Este é o efeito mais
importante da corrente elétrica, constituindo a base do
funcionamento dos motores, transformações, relés, etc.
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EFEITO LUMINOSO
Também é um fenômeno elétrico em nível molecular. A
excitação eletrônica pode dar margem à emissão de radiação
visível, tal como observamos nas lâmpadas fluorescentes.
E, determinadas condições, a passagem da corrente elétrica
através de um gás rarefeito faz com que ele emita luz.
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RECEPTORES ELÉTRICOS
Os receptores elétricos são muito comuns no nosso dia-a-dia. Definem-se receptores elétricos como qualquer dispositivo que transforma energia elétrica em energia não-elétrica que não seja exclusivamente em energia térmica, pois os dispositivos que transformam e energia elétrica totalmente em energia térmica são definidos como resistores.
Um bom exemplo de receptor elétrico é o motor elétrico, como ventiladores, liquidificadores e batedeiras. Quando recebem energia elétrica, esses motores a transformam em energia mecânica que pode ser observada no giro desses aparelhos.
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SÍMBOLO E EQUAÇÃO CARACTERÍSTICA
Quando ligamos um desses aparelhos anteriormente citados a uma fonte de energia elétrica, observamos que essa energia é transformada em energia de mecânica de rotação, e não é só isso. Observe que quando você usa, por exemplo, um liquidificador para fazer uma vitamina, ele também se aquece. Isso ocorre por que a energia elétrica consumida pelo aparelho é dividida. Parte dela vai para o funcionamento e outra parte se perde em forma de dissipação devido à resistência dos enrolamentos e nos contatos.
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Para o funcionamento do receptor se estabelece uma diferença
de potencial (ddp) U entre os seus terminais, parte dela é queda
ôhmica devido a resistências internas do aparelho (r), e outra
parte é devido ao funcionamento mecânico. A parte da ddp
devido ao funcionamento mecânico é uma ddp útil e é
denominada como força contra-eletromotriz (fcem) simbolizada
por E'. Um receptor em um esquema de um circuito é
representado da seguinte forma:
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Pela figura anterior, observe que há uma
semelhança entre o símbolo do gerador com o
símbolo do receptor, mas no receptor, a corrente
vai do pólo positivo para o negativo da bateria
enquanto no gerador ocorre o contrário. Isso é
natural, pois o gerador é quem está criando a
corrente elétrica enquanto o receptor apenas a
recebe.
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Da mesma figura podemos tirar a equação característica do
receptor. Observe que a ddp fornecida ao mesmo, parte dela
vai para o funcionamento, e outra parte para os elementos
dissipativos. Portanto, a equação característica fica:
Observe que o termo na equação referente à dissipação, é a lei
de Ohm aplicada na resistência interna do receptor.
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POTÊNCIA E RENDIMENTO NO RECEPTOR
A figura abaixo representa um esquema de um gerador ligado
diretamente a um receptor. Apesar dos símbolos dos dois
elementos serem muito semelhantes, o gerador é o que
apresenta maior força eletromotriz e a corrente nele flui do pólo
negativo para o pólo positivo.
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Quando ligamos um receptor a um gerador, não é difícil
perceber que a potência útil do gerador, que é aquela que ele
lança para o circuito, na verdade será a potencia total do
receptor elétrico. Ao receber essa potência total, o receptor
aproveita parte dela para o seu funcionamento normal e essa
potência é denominada como potência útil e outra parte é
dissipada, e logicamente ela é denominada como potência
dissipada. Observe o quadro abaixo.
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Na física, rendimento é a razão entre o que é utilizado pelo
total que é recebido, desse modo podemos definir o
rendimento no receptor como sendo:
É importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisi
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É importante assinalar que não existem receptores
com rendimento igual a um, ou seja, cem por
cento. Em uma situação dessas teríamos toda a
energia fornecida a ele sendo usada para o seu
funcionamento e nada estaria sendo dissipado.
Essa situação é fisicamente impossível, pois
sempre haverá uma parcela da energia sendo
dissipada.
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GERADOR ELÉTRICO
O gerador elétrico é um mecanismo que transforma energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica. O gerador elétrico mais comum é o dínamo (gerador de corrente contínua) de bicicleta.
O gerador elétrico é o agente do circuito que o abastece, fornecendo energia elétrica às cargas que o atravessam.
O físico italiano Alessandro Volta foi quem desenvolveu o primeiro gerador. Estudando efeitos de contração muscular de patas de rãs, sob ação de descargas elétricas, Alessandro Volta descobriu que quando dois discos de metais diferentes, como cobre e zinco, estavam separados por um disco de pano ou papelão umedecido com água salgada, surgia uma diferença de potencial entre os discos de metais.
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Volta aumentou esta diferença de potencial colocando estes aparatos em pilhas. A propriedade dos geradores, de produzir quantidades contínuas de carga elétrica, levou à formulação de um novo conceito e uma nova grandeza física capaz de definir essa propriedade: a força eletromotriz. Este nome foi adotado numa época em que não estava muito clara a distinção entre força e energia.
Hoje sabemos bem quais são as reações químicas que ocorrem na pilha, transformando energia química em energia elétrica.
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A força eletromotriz do gerador é a razão entre o trabalho
realizado e a quantidade de carga movimentada. No SI, o
trabalho é medido em joule e a quantidade de carga elétrica é
medida em coulomb, logo a força eletromotriz é medida em
joule/coulomb (J/C). Essa unidade e o volt (V).
O gerador é representado pela seguinte figura:
O resistor da figura representa a perda de energia por calor no
interior do gerador. Esta propriedade dos geradores é chamada
de resistência interna.
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Devemos lembrar que a tensão elétrica U entre os pólos A e B
é menor que a força eletromotriz, já que há uma perda de
tensão por r.
Em alguns exercícios pode aparecer um gerador ideal, ou
seja, um gerador cuja resistência interna é nula. Este é
representado da seguinte maneira:
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A equação do gerador:
r é a resistência interna do gerador.
i é a corrente elétrica que atravessa o gerador.
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TRABALHO DO CAMPO ELÉTRICO
É a variação de energia potencial elétrica que uma determinada carga sofre quando se desloca. A unidade usada é o joule . Podemos representar esse trabalho pela expressão:
T = Einicial- Efinal, onde E representa a energia potencial elétrica.
Como E = q.V (V é o potencial elétrico, q a carga):
T = q.Va - q.Vb , portanto:
T = q(Va - Vb)
Vale lembrar que o trabalho não depende da trajetória que a carga percorrerá, e sim unicamente do ponto inicial e final que ela se encontrar (potenciais elétricos). Portanto, se a carga se deslocar em uma superfície equipotencial, não haverá trabalho, pois o potencial elétrico inicial e final terão o mesmo valor. A carga ainda pode se deslocar e voltar ao mesmo ponto de partida, caracterizando também um trabalho nulo.
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ENERGIA POTENCIA ELÉTRICA
Suponha, agora, o ponto B infinitamente afastado da carga
fixa criadora do campo.
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A expressão do trabalho da força elétrica, para deslocar
uma carga de um ponto A até o infinito, é dada por:
Podemos afirma que esse é o maior trabalho que pode ser
realizado pela força elétrica, sobre uma carga q, no ponto A.
Como energia é a capacidade de realizar trabalho, conclui-se
que a energia potencial elétrica adquirida pela carga q, no ponto
A, é igual ao trabalho realizado para se deslocar esse carga
desse ponto ao infinito.
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Com base na definição de energia potencial, o trabalho
realizado pela força elétrica pode ser medido pela diferença de
energia potencial elétrica entre os pontos A e B; portanto:
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POTENCIAL ELÉTRICOConsiderando um campo elétrico originando por uma carga
puntiforme Q.
Defina-se como potencial elétrico
num ponto A desse campo, o trabalho realizado pela força
elétrica, por unidade de carga, para deslocá-la desse ponto A
até o infinito.
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O potencial é uma grandeza escalar, ficando determinado
apenas pelo seu valor numérico. Pode, portanto, ser positivo
ou negativo, dependendo do sinal da carga criadora do campo
Q.
A unidade do potencial SI é o volt (V).
1 volt é o potencial de um ponto que fornece a uma carga de 1
coulomb, nele colocada, uma energia de 1 joule. Quando
temos vários campos elétricos agindo numa região, o potencial
num ponto P qualquer é a soma algébrica dos potenciais
originados por cada carga, no ponto considerando.
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EXEMPLO:
1- Num campo elétrico foram medidos os potenciais em dois pontos A e B e encontrou-se VA= 12V e VB = 5,0V.
a) Qual o trabalho realizado por esse campo quando se transporta uma carga puntiforme de 18uC de A para B?
b) Sabe-se que nesse transporte não houve variação de energia cinética da partícula. Determine o trabalho do operador.
Resposta:
a) 1,3 . 10-5J
b) -1,3 . 10-5J
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DIFERENÇA DE POTENCIAL (DDP)A diferença de potencial, ddp, é uma das grandezas mais
importante da eletricidade. É utilizada para explicar o
movimento das cargas elétricas.
A diferença de potencial entre os pontos A e B é indicada por
e representada pela letra U.
Por exemplo entre os terminais de uma bateria existe uma ddp
de 12 volts.
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RELAÇÕES ENTRE TRABALHO E DDP
Consideramos o campo elétrico criada pela carga Q.
O trabalho realizado pela força elétrica, no deslocamento de
uma carga q de um ponto A até um ponto B dessa região, pode
ser calculado a partir dos potenciais dos pontos A e B.
A diferença do potencial elétrico ,
entre pontos, A e B, de um campo elétrico é obtida dividindo-se
o trabalho pela força elétrica pelo valor da carga deslocada.
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DIFERENÇA DE POTENCIAL NUM CAPO ELÉTRICO
UNIFORMEConsidere o campo elétrico uniforme entre duas placas
paralelas eletrizada com cargas iguais e de sinais
contrários, separadas pala distância d.
O trabalho realizado pela força elétrica para deslocar uma
carga de prova q positiva, da placa A até a placa B, é dada por:
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Como o campo elétrico
e a força
que agem na carga q, são constantes, o
trabalho realizado pela força
pode ser calculado pela expressão geral
do trabalho :
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Esta expressão permite calcular a ddp entre dois pontos de
uma campo uniforme, e é muito importante no estudo dos
fenômenos elétricos.
Com base nesta expressão utiliza-se:
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EXEMPLO:
1- Determinar a diferença de potencial entre dois pontos, A e
B, de um campo elétrico uniforme de intensidade 10
, conforme figura abaixo . Sabe-se que a distância entre esses
pontos é de 0,2 cm.
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POTENCIAL DE UM CONDUTOR EM EQUILÍBRIO
ELETROSTÁTICO
Consideramos um condutor eletrizado, de qualquer formato, em
equilíbrio eletrostático.
Devido ao fato de as cargas elétricas estarem em
repouso, pode-se afirma que não existe diferença de potencial
entre dois pontos quaisquer do condutor, pois, se houvesse
uma ddp, é elétrons livres procurariam pontos de potencial
maior.Num condutor e equilíbrio eletrostático, o potencial, em
qualquer ponto, é constante e igual ao da superfície
![Page 44: Trabalho de fisica](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012403/559e8afd1a28ab5d778b47b7/html5/thumbnails/44.jpg)
SUPERFÍCIE EQUIPOTENCIAL
Chama-se superfície equipotencial aquela na qual
o potencial é constante em todos os seus pontos.
Numa superfície equipotencial as linhas de força
são sempre perpendiculares às superfícies
equipotencial.
![Page 45: Trabalho de fisica](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012403/559e8afd1a28ab5d778b47b7/html5/thumbnails/45.jpg)
EXEMPLO:
-Superfície de um condutor equilíbrio eletrostático:
-Campo criado por carga puntiforme:
Cada uma das superfícies esféricas concêntricas à carga
puntiforme é uma superfície equipotencial
![Page 46: Trabalho de fisica](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012403/559e8afd1a28ab5d778b47b7/html5/thumbnails/46.jpg)
CAMPO UNIFORME
Num campo uniforme, as superfícies equipotenciais
são perpendiculares às linhas de força e paralelas
entre si.
![Page 47: Trabalho de fisica](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012403/559e8afd1a28ab5d778b47b7/html5/thumbnails/47.jpg)
EXEMPLO:1- Retome as placas da questão anterior e coloque em
repouso entre elas uma partícula X, de peso P = 2,0 . 10-
7N, eletrizada. Calcule a carga elétrica (q) da partícula para
que ela permaneça em repouso.
![Page 48: Trabalho de fisica](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012403/559e8afd1a28ab5d778b47b7/html5/thumbnails/48.jpg)
Resposta: -1,0 . 10-12C = -10pC
2- (PUC - RJ) Uma partícula de massa1,0 x 10-4kg e carga -1,0 x 10-
6C é lançada na direção de um campo elétrico uniforme de intensidade 1,0 x 105V/m. A velocidade mínima de lançamento para que ela percorra 20 cm a partir da posição de lançamento, no sentido do campo, é de:
a) 14 m/s
b) 20 m/s
c) 26 m/s
d) 32 m/s
e) 38 m/s
Resposta: b
Consideramos uma esfera condutora, de raio r, eletrizada co carga Q.
Dividiremos o estudo do potencial produzido pela esfera em três casos.
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1º POTENCIAL EXTERNO
Para o cálculo do potencial num ponto externo, supõe-se que
a carga Q seja puntiforme e localizada no centro da esfera.
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2º POTENCIAL NA SUPERFÍCIE
Fazendo d=r, temos:
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3º POTENCIAL INTERNO À ESFERA
A esfera condutora está em equilíbrio eletrostático,; portanto, não há movimento de cargas no seu interior, isto é, o potencial num ponto interior é igual ao potencial num ponto da superfície.
*A curva característica da variação do potencial produzido por uma esfera é dada a seguir:
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TENSÃO ELÉTRICA
Tensão elétrica ou diferencial de potencial (ddp) é a diferença de potencial entre dois pontos. A tensão elétrica também pode ser explicada como a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. Vamos dar um exemplo de uma mangueira com água, a qual no ponto entre a entrada de água e a saída exista uma diferença na quantidade de água, essa diferença trata-se da ddp entre esses dois pontos. Já no condutor, por onde circula a carga de energia elétrica, a diferença entre o gerador (equipamento responsável por gerar energia) e o consumidor (que pode ser seu computador ou outro equipamento) é que simboliza qual é a tensão que existe nesse condutor.
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Exemplos de geradores de tensão: as usinas hidrelétricas, pilhas e baterias.
Logo abaixo, temos um exemplo de um circuito elétrico, com um gerador e um consumidor.
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No exemplo acima, o gerador, que é a pilha, libera uma partícula eletrizada, esta percorre o condutor e faz acender a lâmpada, depois essa partícula continua seu percurso até retornar à pilha.
Com isso, pode-se concluir que a tensão elétrica é a quantidade de energia que um gerador fornece pra movimentar uma carga elétrica durante um condutor.
Como já foi dito, a tensão elétrica é quantidade de energia gerada para movimentar uma carga, portanto, o gerador necessita liberar energia elétrica para movimentar uma carga eletrizada.
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A fórmula para calcular a tensão a partir desse
conceito é:
U = Eel / Q
Onde:
U= Tensão elétrica
Eel= Energia elétrica
Q= Quantidade de carga eletrizada
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Outra fórmula para calcular a tensão elétrica é a
partir da energia elétrica utilizada e quantidade de
carga:
V = J / C
Onde:
J= Joule
C= Coulomb
A unidade de tensão será dada em J/C
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Também é possível calcular a tensão elétrica de um circuito tendo as grandezas de corrente e resistência:
V= I.R
Onde:
V= tensão elétrica
I= corrente elétrica
R= resistência elétrica
Se analisarmos mais profundamente para calcular a tensão, poderemos calcular também através da potência elétrica:
V= P/I
Onde:
P= potência elétrica
I= corrente elétrica
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Todos esses cálculos são para tensões contínuas (tensões que não mudam de polaridade de acordo o tempo), para calcular tensões alternadas (tensões que mudam a polaridade de acordo com o tempo), é necessário ter noções de números complexos, visto que todas variáveis são complexas.
Fórmula para cálculo de tensão alternada:
v(t)=V.sin(2∏ft.Φv)
Onde:
v(t)= função tensão no tempo
V= tensão de pico
Sin=seno
F=frequência
T=tempo
Φ= ângulo de fase
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Esse cálculo é para casos de tensão em função do
tempo, entretanto, a tensão que é medida na sua
tomada, é um valor eficaz, que é o valor quadrático
médio desse sinal.
Vef= Vp/√2
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O QUE É CERTO SE FALAR, TENSÃO OU
VOLTAGEM?
Muitos falam voltagem, mas isso é errado, o certo a
ser falado é tensão. As pessoas usam muito o
termo “voltagem” em decorrência ao cientista que
descobriu a tensão elétrica, Alessandro Volta.
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APARELHOS ELETRICOS
utilizar corretamente os equipamentos elétricos bem como ligá-los de forma adequada, evitando que estraguem. Por exemplo, se um aparelho que funciona na tensão 220 V for ligado na tensão de 127 V ele não queimará, mas também não funcionará de forma correta. Caso ocorra o contrário, se o aparelho funciona a 127 V e for ligado numa tensão de 220 V, o aparelho elétrico queimará. Esse mesmo fato ocorre com as lâmpadas, por exemplo. Se a corrente estabelecida nela não for suficiente para aquecer o filamento de tungstênio, a lâmpada brilhará menos e a luz terá tom avermelhado.
Alguns conceitos são muito importantes para entender o funcionamento dos aparelhos eletrônicos.
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TENSÃO
simbolizada pela letra V que significa volt, ela
especifica a capacidade de energia da rede na qual
o aparelho será ligado.
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FREQÜÊNCIA
representada pela letra f é a freqüência da
oscilação da rede elétrica na qual o aparelho é
ligado. A unidade de freqüência no Sistema
Internacional de Unidades é o hertz (HZ).
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POTÊNCIA
significa o consumo de energia por unidade de
tempo e o símbolo é o W que é a unidade de
potência no Sistema Internacional de Unidade.
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Com esses conceitos em mente e através da
leitura correta dos mesmos fica possível ligar os
aparelhos elétricos de forma que ele funcione
adequadamente.
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TRABALHO DE FÍSICA:3º ‘’B’’ matutinoAlunos:Stefani, Emylle,Lara,Pedro,Priscila e Hanna
CED 03