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1. Introdução ao Eletromagnetismo

— 1. Introdução ao Eletromagnetismo —

Estamos cercados de aparelhos cujo funcionamento depende de princípios e leis do eletromagnetismo, que é uma combinação de fenómenos elétricos e magnéticos.O eletromagnetismo também explica diversos fenómenos na natureza tais como a aurora, o arco íris, os relâmpagos,etc.

As interações eletromagnéticas envolvem partículas que possuem uma propriedade chamada carga elétrica, um atributo que é tão fundamental quanto a massa.Assim como os abjetos com massa são acelerados pela força gravitacional, os objetos eletricamente carregados são acelerados pelas força elétricas.

Iniciaremos o estudo do eletromagnetismo examinando a natureza da carga elétrica.Mostraremos que a carga elétrica é quantizada e obedece a um principio de conservação.

— 2. Cargas elétricas —

A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas de que é feita a matéria;em outras palavras é uma propriedade associada a própria existência das partículas.O termo “elétrico” deriva-se da palavra grega elektron, que significa âmbar.

A grande quantidade de cargas que existem em qualquer objeto raramente pode ser observada porque a maioria dos objetos contem quantidades iguais de dois tipos de cargas:cargas positivas e cargas negativas.Quando existe igualdade de cargas , dizemos que o objeto é eletricamente neutro, ou seja a carga total do objeto é zero.Quando as quantidades de dois tipos de cargas são diferentes, a carga total do objeto é diferente de zero e dizemos que o objeto esta eletricamente carregado.A diferença entre as quantidades dos dois tipos de cargas é sempre muito menor do que as quantidades de cargas positivas e de cargas negativas contidas no objeto.

OBS:Se o objeto possui um numero de protões maior que o de eletrões, o objeto esta eletrizado positivamente, se for ao contrario o objeto esta eletrizado negativamente.

Os objetos eletricamente carregados interagem exercendo uma força sobre outros objetos.Para observar essa força, podemos carregar um bastão de plástico friccionando uma das extremidades com um pedaço de lã.Quando o bastão de plástico é friccionado com um pedaço de lã, o plástico adquire uma quantidade de cargas negativas.Por outro lado quando um bastão de vidro é friccionado com um pedaço de seda, o vidro perde uma pequena quantidade de cargas negativas e, portanto, fica com uma pequena quantidade de cargas positivas.

Suponha que o bastão de plástico carregado seja suspenso por um fio para isolá-lo eletricamente dos outros objetos, impedindo que a carga elétrica se altere.Quando aproximamos do bastão de plástico suspenso o bastão de vidro eletricamente carregado (Figura 1a), os dois bastões são submetidos a uma força de atração.De outra forma, Quando aproximamos do bastão um segundo bastão de plástico eletricamente carregado(Figura 1b), os dois bastões são submetidos a uma força de repulsão.

cargas1

Figura: (a)Dois bastões carregados com cargas de sinais opostos se atraem.(b)Dois bastões de carga do mesmo sinal se repelem.}

As duas demonstrações revelam o seguinte:

Duas cargas positivas se repelem e duas cargas negativas também se repelem.Existe uma atração mutua entre uma carga positiva e uma carga negativa

OBS:A atração e a repulsão entre dois objetos carregados é geralmente resumida como cargas iguais se repelem e cargas contrarias se atraem.Contudo, devemos ter em mente que a expressão cargas iguais não significa que as duas cargas sejam idênticas, apenas que elas possuem o mesmo sinal algébrico (ambas são positivas ou ambas são negativas).Usar a expressão cargas contrarias significa que os objetos possuem cargas elétricas e que essas cargas possuem sinais algébricos opostos(uma positiva e a outra negativa).

— 2.1. Propriedades da carga elétrica —

Duas propriedades muito importantes da carga elétrica são a sua quantização e a conservação.

Quantização da carga.Todas as cargas observáveis ocorrem em quantidades que são múltiplos inteiros da unidade fundamental da carga elétrica ${e}$ ; ou seja, a carga elétrica é quantizada.Qualquer carga Q observável na natureza pode ser escrita como

${Q=\pm Ne}$ onde ${N=\pm 1,\pm 2,\pm 3...}$

A unidade fundamental da carga elétrica no SI é o coulomb, o qual é definido em termos da unidade da corrente elétrica, o Ampere (A).O coulomb (C) é a quantidade de carga que flui através da secção transversal de um fio em um segundo quando a corrente no fio é um ampere.A unidade fundamental de carga elétrica ${e}$ esta relacionada ao coulomb por

$\displaystyle e=1,602\times 10^{-19}C.$

Conservação da Carga.Quando objetos são atritados entre si, um objeto fica com excesso de elétrons e torna-se, portanto, carregado negativamente; o outro objeto fica com uma deficiência de elétrons e torna-se, portanto, carregado positivamente.A carga resultante dos dois objetos permanece constante; isto é, a carga elétrica é conservada.

Exemplo 1. Uma moeda de cobre (Z=29) tem massa de 3,10 gramas.Qual é a carga total de todos os elétrons da moeda?

Solução:A carga total Q é o numero de elétrons multiplicados pela carga:

$\displaystyle Q=N_{e}(-e)$

O numero de elétrons é o numero atómico do cobre Z multiplicado pelo numero de átomos ${ N_{at} }$ : ${ N_{e}=ZN_{at} }$

Para encontrar ${ N_{at} }$ em 3,10g de cobre, utilizamos o fato que um mol de qualquer substancia tem o numero de Avogadro ${ (N_{A}=6,02\times 10^{23}) }$ de partículas e o numero de gramas em um mol é a massa molar M, que é ${63,5g/mol}$ .Então, teremos: