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CCAAPPÍÍTTUULLOO II:: Carga Elétrica ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 1

EELLEETTRROOMMAAGGNNEETTIISSMMOO

CCAAPPÍÍTTUULLOO II –– CCAARRGGAA EELLÉÉTTRRIICCAA

Os exercícios a seguir foram extraídos dos livros recomendados no curso (Ver Referências Bibliográficas [1, 2, 3, 4] no fim deste trabalho). Eles estão organizados de tal forma que podem ser impressos em A4 frente e verso.

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Prof. Cristóvão R M Rincoski

CCAAPPÍÍTTUULLOO II:: Carga Elétrica ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 2 FITA 07 – UNIVERSO MECÂNICO – ELETROSTÁTICA FITA 07 – UNIVERSO MECÂNICO – ELETROSTÁTICA Atenção: Fazer uma equipe de 4 ou 5 alunos e responda as perguntas abaixo, de acordo com a fita de

vídeo, somente o que aparecer na referida fita. Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. Identificar, na apresentação da fita de vídeo, as formas de carregarmos (com carga elétrica) um objeto. 2. Quem nomeou “carga elétrica” ao fenômeno elétrico. 3. Qual a relação entre carga, distância e força? 4. Quais os tipos de carga e em quais “substâncias” a carga está presente? 5. Quais as propriedades conhecidas dos metais? 6. Explique o funcionamento do Gerador de Van de Graaff. 7. Explique o mecanismo do relâmpago. 8. O funcionamento da Garrafa de Leyden.


CCAAPPÍÍTTUULLOO II:: Carga Elétrica ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 3 LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (3R) Sala de Aula 1 – Baseado nos Ex.: 23.3 pág. 8, Serway, 3a ed. e Exemplo pág. 7, Tipler, 3a ed.

Num átomo de Hidrogênio, a separação média entre o elétron e o próton é cerca de 5,3 × 10-11 m. Calcular: a) o módulo da força eletrostática exercida pelo próton sobre o elétron, b) a força gravitacional que age entre o próton e o elétron e c) a razão entre as forças eletrostática (ou elétrica) e a gravitacional. [3–p8, 3–p7]

2. (1R) Sala de Aula 1 – Ex.: 1 pág. 22, Serway, 3a ed.

Suponha que 1 g de Hidrogênio seja separado em elétrons e prótons. Suponha também que os prótons sejam colocados no pólo norte da Terra e os elétrons, no pólo sul. Qual a força compressional exercida sobre a Terra? [3–p22]


Certa vez, Robert Feynman afirmou que se duas pessoas estivessem separadas pela distância de um braço, e cada uma delas tivesse 1% a mais de elétrons do que prótons, a força de repulsão entre as duas seria suficiente para levantar um “peso” da ordem de grandeza de toda a Terra. Faça um cálculo de ordem de grandeza para verificar a afirmação. [3–p23]

4. (1R) Sala de Aula 1 – Ex.: 8 pág. 22, Tipler, 3a ed.

Duas cargas iguais de 3,0 μC estão sobre o eixo y, uma delas na origem e a outra em y = 6 m. Uma terceira carga q3 = 2 μC está no eixo x em x = 8 m. Achar a força sobre q3.[4–p22]


CCAAPPÍÍTTUULLOO II:: Carga Elétrica ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 4 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 11:: CCAARRGGAA EELLÉÉTTRRIICCAA[[11]]

NN00 PPÁÁGG.. NN00 PPÁÁGG.. N0N0PPÁÁGG..

20) 12 6E) 13 8P) 13 10P) 13 15P) 13 19P) 14 23E) 14

1. Lista Complementar 1: 20) pág. 12 – Halliday, 4a ed.

(1R) O Teorema de Earnshaw diz que nenhuma partícula pode estar em equilíbrio estável sob ação somente de forças eletrostáticas. Consideremos, entretanto o ponto P no centro do quadrado formado por quatro cargas iguais positivas, fixas, como mostra a Fig. 1. Se colocarmos uma carga positiva em P, ela não ficará em equilíbrio estável? Explique.

q1

q2

q3

q2

d

d

d

q1

Fig. 2a Fig. 2b

d

q

P

Fig. 1

q q

q 2. Lista Complementar 1: 6E) pág. 13 – Halliday, 4a ed.

(2R) A Fig. 2a mostra duas cargas, q e q1 2, mantidas a uma distância fixa d uma da outra. Dados: q = q1 2 = 20,0 μC e d = 1,50 m. a) Qual é o módulo da força eletrostática que atua sobre q ? b) Uma terceira carga q1 3 = 20,0 μC é trazida e colocada na posição mostrada na Fig. 2b. Qual é agora o módulo o módulo da força eletrostática que atua sobre q ? 1

3. Lista Complementar 1: 8P) pág. 13 – Halliday, 4a ed.

(1R) Três partículas carregadas, localizadas sobre uma linha reta, estão separadas pela distância d, como mostra a Fig. 3. As cargas q1 e q2 são mantidas fixas. A carga q q3 q2 q1

d d

Fig. 3

3, que é livre para mover-se, encontra-se em equilíbrio (nenhuma força eletrostática atua sobre ela). Determine q em termos de q . 1 2

a

+2q -2q

+q -q

a a

a

Fig. 4

4. Lista Complementar 1: 10P) pág. 13 – Halliday, 4a ed. (1R) Quais são as componentes horizontal e vertical da força eletrostática resultante que atua sobre a carga no vértice inferior esquerdo do quadrado, da Fig. 4, sendo q = 1,0 10-7 C e a = 5,0 cm?


(2R) Duas cargas puntiformes livres +q e +4q estão a uma distância L uma da outra. Uma terceira carga é colocada de tal modo que todo o sistema fica em equilíbrio. a) Determinar a posição, o módulo e o sinal da terceira carga. b) Mostre que o equilíbrio do sistema é instável.

q q

x

θ θ

Fig. 5


(2R) Duas pequenas bolas condutoras idênticas, de massa m e carga q, estão suspensas por fios não-condutores de comprimento L. Suponha que o ângulo θ, formado entre cada fio e a vertical, seja tão pequeno que tg θ possa ser substituído por sen θ com erro desprezível. a) Encontre a distância, x, entre as cargas no equilíbrio. b) Sendo L = 120 cm, m = 10 g, e x = 5,0 cm, qual é o valor da carga q?

7. Lista Complementar 1: 23E) pág. 14 – Halliday, 4a ed.

(1R) "Antigamente, acreditava-se que as partículas “elementares” eram: elétron, prótons e nêutrons. Posteriormente descobriu-se que estas partículas eram formadas por quarks." (NP) Um nêutron consiste em um quark “up”, de carga +2e/3 e dois quarks “down”, cada um tendo carga de –e/3. Se os quarks down estiverem a uma distância de 2,6×10-15 m um do outro, dentro do nêutron, qual será a força eletrostática entre eles?

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Prof. Cristóvão R M Rincoski (NP) Nota do Professor

CCAAPPÍÍTTUULLOO IIII:: O Campo Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 5

CCAAPPÍÍTTUULLOO IIII –– OO CCAAMMPPOO EELLÉÉTTRRIICCOO LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (1R) Sala de Aula 2 – Ex.: 17 pág. 23, Serway, 3a ed.

Uma carga puntiforme de –5,2 μC está localizada na origem de um sistema de coordenadas cartesianas (x, y). Achar o campo elétrico: a) sobre o eixo dos x, em x = 3 m, b) sobre o eixo dos y, em y = –4 m e c) no ponto com as coordenadas x = 2 m e y = 2 m. [3–p23]


Três cargas positivas, iguais, q, estão nos vértices de um triângulo eqüilátero de lados a. a) Em que ponto do plano das cargas (diferente de ∞), o campo elétrico é nulo? b) Qual o módulo e a direção do campo elétrico em um vértice do triângulo devido às duas outras cargas? [3–p23]


Uma gota de óleo tem uma massa de 4 × 10-14 -19 kg e uma carga líquida de 4,8 × 10 C. Uma força elétrica, dirigida na vertical, para cima equilibra a força da gravidade, e a gota de óleo está em equilíbrio. Qual a direção e o módulo do campo elétrico? [4–p22]


Duas cargas puntiformes positivas + q estão sobre o eixo dos y em y = +a e y = –a. Uma pequenina conta com massa m e carga elétrica –q, escorrega por um fio esticado ao longo do eixo dos x. a) Mostrar que para um pequeno deslocamento x << a, a conta sofre uma força restauradora proporcional a x e que, portanto, efetua um movimento harmônico simples. b) Achar o período do movimento. [4–p25]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIII:: O Campo Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 6 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 22:: OO CCAAMMPPOO EELLÉÉTTRRIICCOO[[11]]


8E) 33 25E) 35 31P) 35 33P) 36 35P) 36 42E) 36 56P) 37 59P) 37

1. Lista Complementar 2: 8E) pág. 33 – Halliday, 4a Q

+ 1,0 μC +

ed. (1R) Na Fig. 1, as cargas estão localizadas nos vértices de um triângulo retângulo eqüilátero. Para que valor de Q (sinal e módulo) o campo elétrico resultante se anula no ponto C, o centro do triângulo?

1,0 μC

a a

a

C

Fig. 1


(1R) Na Fig. 2, suponha que as duas cargas sejam positivas. Mostre que E no ponto P, nesta figura, considerando z >> d, é dado por

20

24

1z

qE

πε=

q(+)

q(-)

P

z

d

r(-)

E(-)

E(+)

z

r(+)

Fig. 2


(1R) Na Fig. 3, duas barras finas de plástico, uma de carga +q e a outra −q, formam um círculo de raio R num plano xy. Um eixo x passa pelos pontos que unem as duas barras e a carga em cada uma delas está uniformemente distribuída. Qual o módulo, direção e sentido do campo elétrico E criado no centro do círculo?


(1R) Uma barra fina, não condutora, de comprimento finito L, tem uma carga +q uniformemente distribuída ao longo dela. Mostre que o módulo E do campo elétrico no ponto P sobre a mediatriz da barra (Fig. 4) é dado por

2/12 )4

1

y20 (2 Ly

qE

+=

πε

x

y

−q

+q

R

Fig. 3


(1R) Na Fig. 5, uma barra não condutora “semi-infinita” possui uma carga por unidade de comprimento, de valor constante λ. Mostre que o campo elétrico no ponto P faz um ângulo de 450 com a barra e que este resultado é independente da distância R.

P

y

L

Fig. 4

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

6. Lista Complementar 2: 42E) pág. 36 – Halliday, 4a ed. (1R) Uma partícula α, núcleo de um átomo de hélio tem uma massa de 6,64 × 10-27 kg e uma carga de + 2e. Quais são o módulo, a direção e o sentido do campo elétrico que equilibraria seu peso?


3(2R) Na Fig. 6, um campo elétrico E, de módulo 2,00 × 10 N/C, apontado para cima, é estabelecido entre duas placas horizontais, carregando-se a placa inferior positivamente e a placa superior negativamente. As placas têm comprimento L = 10,0 cm e separação d = 2,00 cm. Um elétron é, então, lançado entre as placas a partir da extremidade esquerda da placa inferior. A velocidade inicial v

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

P

Fig. 5 R

do elétron faz um ângulo θ = 4500 com a

placa inferior e tem um módulo de 6,00 × 106 m/s. a) Atingirá o elétron uma das placas? b) Sendo sim, qual delas e a que distância horizontal da extremidade esquerda? v0 θ

d

L Fig. 6


(1R) Determine o trabalho necessário para inverter um dipolo elétrico num campo elétrico uniforme E, em termos do módulo p do momento de dipolo, do módulo E do campo elétrico e do ângulo inicial θ entre p e E. 0


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII:: Lei de Gauss ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 7

CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII –– LLEEII DDEE GGAAUUSSSS LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (1R) Sala de Aula 3 – Ex.: 16 pág. 57, Tipler, 3a ed.

Uma vez que a Lei de Newton da Gravidade e a Lei de Coulomb têm, ambas, a mesma dependência no inverso do quadrado da distância, uma expressão análoga à da Lei de Gauss pode ser encontrada para o campo gravitacional. O campo gravitacional g

r é a força por unidade de massa sobre uma massa de prova m0. Então, para uma massa

puntiforme m na origem, o campo gravitacional gr

numa posição rr

é

rr

mG

m

Fg g ˆ

20

−=−=

rr

.

Calcular o fluxo do campo gravitacional através de uma superfície esférica de raio r centrada na origem do campo e mostrar que o análogo da Lei de Gauss é

int4 mGg π−=Φ . [4–p57]


Uma casca esférica de raio R1 tem uma carga total q1 distribuída uniformemente pela sua superfície. Uma outra casca esférica, maior que a primeira, de raio R2, é concêntrica a primeira e tem carga q2 distribuída uniformemente pela sua superfície. a) Usar a Lei de Gauss para achar o campo elétrico nas regiões r < R1, R1 < r < R2 e r > R2. b) Qual deveria ser a razão entre as cargas q1/q2 e os respectivos sinais, para que o campo elétrico fosse nulo em r > R2? c) Desenhar as linhas do campo elétrico na situação configurada na parte b). [4–p57]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII:: Lei de Gauss ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 8 3. (3R) Sala de Aula 3 – Ex.: 35 pág. 58, Tipler, 3a ed.

Uma carga puntiforme positiva de 2,5 μC está no centro de uma esfera condutora, sem carga, que tem raio interno de 60 cm e o externo de 90 cm. a) Achar a densidade de cargas nas superfícies interna e externa da esfera oca e a carga total em cada superfície. b) Achar o campo elétrico em qualquer ponto no espaço. c) Repetir a) e b) quando a esfera oca tiver uma carga total + 3,5 μC. [4–p58]

4. (3R) Sala de Aula 3 – Ex.: 43 pág. 58, Tipler, 3a ed. S1

Um anel de raio R tem a densidade linear de carga positiva e uniforme λ. A Fig. 1 mostra um ponto P no plano do anel, porém não no centro do anel. Considere dois elementos do anel, de comprimentos S P r1

r2

S2

Fig. 1

1 e S2 que aparecem na figura, às distâncias r1 e r2 do ponto P. a) Qual a razão entre as cargas elétricas destes elementos? Qual dos dois provoca um campo mais intenso em P? b) Qual a orientação do campo de cada elemento no ponto P? Qual a direção do campo elétrico resultante no ponto P? c) Suponha que o campo elétrico de uma carga puntiforme variasse com 1/r2. Qual seria o campo elétrico no ponto P provocado pelos dois elementos na figura? d) Quais seriam as respostas das partes a), b) e c) se o ponto P estivesse no interior de uma casca esférica com densidade superficial de carga uniforme e se os elementos de área fossem S1 e S2? [4–p58]


Considere um prisma triangular num campo elétrico horizontal E = 7,8 × 10

E

600 10 cm

E

30 cm

Fig. 2

4 N/C, como mostra a Fig. 2. Calcular o fluxo do campo elétrico através a) da face vertical à esquerda (A’), b) da face inclinada (A) e c) de toda a superfície prismática. [3–p43]



δ → 0

Q

R

Fig. 3

6. (2R) Sala de Aula 3 – Ex.: 23 pág. 44, Serway, 3a ed. Uma carga puntiforme Q está localizada acima do centro da base de um hemisfério de raio R, como mostra a Fig. 3. a) Qual o fluxo elétrico através da superfície curva do hemisfério? b) Qual o fluxo elétrico através da base do hemisfério? [3–p44]


Num dia claro, de sol, sobre um terreno plano, ou sobre um espelho de água, há um campo elétrico vertical, dirigido para baixo, da ordem de 130 N/C. (Esse campo pode variar, consideravelmente, de módulo e pode ser invertido pela presença de nuvens.) Qual a densidade de carga superficial no solo (ou na água) nessas condições? [3–p44]


Uma bola de borracha, cheia, com forma de uma esfera de 12 cm de raio, tem carga de 7 μC, uniformemente distribuída sobre a sua superfície. Calcular a intensidade do campo elétrico nas seguintes distâncias ao centro da bola: a) 10 cm, b) 12,5 cm e c) 30 cm.[3–p44]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII:: Lei de Gauss ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 10 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 33:: LLEEII DDEE GGAAUUSSSS[[11]]


2E) 56 3E) 56 9E) 57 14P) 57 27P) 58 31E) 59 48P) 60 54P) 60


Normal

(1R) A superfície quadrada na Fig. 1 tem 3,2 mm de lado. Ela está imersa num campo elétrico uniforme com E = 1.800 N/C. As linhas do campo fazem um ângulo de 35

035

0 com a normal “apontando para fora”, como é mostrado. Calcular o fluxo através da superfície.


(4R) Um cubo com 1,40 m de aresta está orientado, como é mostrado na Fig. 2, numa região de campo elétrico uniforme. Determine o fluxo elétrico através da face direita se o campo elétrico, em newtons por coulomb, for dado por a) 6,00i, b) –2,00j, c) –3,00i + 4,00k, d) Qual é o fluxo total através do cubo para cada um dos campos?

Fig. 1

x

y

z

1,40 m

Fig. 2


(1R) Na Fig. 3, uma carga puntiforme +q está a uma distância d/2 diretamente acima do centro de um quadrado de lado d. Qual é o fluxo elétrico através do quadrado? (Sugestão: pense no quadrado como sendo uma das faces de um cubo de aresta d)

d/2

d

+q

Fig. 3

4. Lista Complementar 3: 14P) pág. 57 – Halliday, 4a ed. (2R) “A Lei de Gauss para a gravitação” é

mAdgG

−=⋅∫vv

π

1

G g =Φπ 44

1,

na qual Φg é o fluxo do campo gravitacional g através de uma superfície gaussiana que envolve a massa m. O campo g é definido como a aceleração da partícula teste sobre a qual a massa m exerce uma força gravitacional. Deduza a lei da gravitação de Newton a partir dela. Qual é o significado do sinal “menos”?


(3R) Uma barra cilíndrica condutora, muito longa, de comprimento L, com uma carga total +q, é circundada por uma casca cilíndrica condutora (também de comprimento L), com carga total –2q, como é mostrado em seção transversal na Fig. 4. Use a Lei de Gauss para determinar a) o campo elétrico em pontos fora da casca condutora, b) a distribuição de carga sobre a casca condutora e c) o campo elétrico na região entre a casca e a barra.

+q –2q

Fig. 4 +

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + + +

Fig. 5

6. Lista Complementar 3: 31E) pág. 59 – Halliday, 4a ed. (3R) A Fig. 5 mostra duas chapas não-condutoras, grandes e paralelas, com distribuições idênticas de carga positiva. Qual é o valor de E para pontos a) à esquerda das chapas, b) entre elas e c) à direita delas?


(5R) A Fig. 6 mostra uma esfera, de raio a e carga +q uniformemente distribuída através de seu volume, concêntrica com uma casca esférica condutora de raio interno b e raio externo c. A casca tem uma carga líquida −q. Determinar expressões para o campo elétrico em função do raio r a) dentro da esfera (r < a); b) entre a esfera e a casca (a < r < b); c) no interior da casca (b < r < c); e d) fora da casca (r > c). e) Quais são as cargas sobre as superfícies interna e externa da casca?

a

b c

−q

+q

Fig. 6


(2R) Uma esfera não-condutora tem uma densidade volumétrica de cargas ρ. Seja r o vetor que vai do centro da esfera até um ponto genérico P dentro da esfera. a) Mostre que o campo elétrico em P é dado por E = ρ r / 3 ε0 (Note que o resultado é independente do raio da esfera.) b) Uma cavidade esférica é aberta na esfera como mostra a Fig. 7. Usando o conceito de superposição, mostre que o campo elétrico em todos os pontos dentro da cavidade é E = ρ a / 3 ε (campo uniforme), onde a é o vetor 0



a

Fig. 7

posição apontando do centro da esfera para o centro da cavidade. (Note que o resultado é independente dos raios da esfera e da cavidade)


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV:: Potencial Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 13

CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV –– PPOOTTEENNCCIIAALL EELLÉÉTTRRIICCOO LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (3R) Sala de Aula 4 – Ex.: 5 pág. 87, Tipler, 3a ed.

Er

iaxE ˆ=r

onde Um campo elétrico é dado por está em newtons por coulomb, x em metros e a é uma constante positiva. a) Quais as unidades SI de a? b) Qual o trabalho feito pelo campo sobre a carga puntiforme positiva q0, quando esta se desloca da origem até um ponto x? c) Achar a função potencial V(x) tal que V = 0 V em x = 0 m. [4–p87]


Uma carga q = +10-8 C está uniformemente distribuída sobre uma casca esférica de raio 12 cm. a) Qual o módulo do campo elétrico na face interna e na face externa da superfície da casca? b) Qual o módulo do potencial elétrico na face interna e na face externa da superfície da casca? c) Qual o potencial elétrico no centro da casca? Qual o campo elétrico neste ponto? [4–p88]


Um potencial é dado por:

222)(),,(

zyax

qkzyxV

++−=

a) Achar as componentes Ex, Ey e Ez do campo elétrico mediante a derivação desta função potencial. b) Qual a distribuição simples de carga que pode ser responsável por este potencial? [4–p90]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV:: Potencial Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 14 4. (1R) Sala de Aula 4 – Ex.: 11 pág. 68, Serway, 3a ed.

Que trabalho deve ser efetuado (por uma bateria, ou gerador, ou outra fonte de energia) para deslocar um número de Avogadro de elétrons de um ponto inicial onde o potencial elétrico é de 9 V até outro ponto onde o potencial é – 5 V? (Os dois potenciais são medidos com relação a um mesmo ponto em comum de referência). [3–p68]

−q

4 cm

2 cm

+q

−q

Fig. 1

5. (1R) Sala de Aula 4 – Ex.: 27 pág. 69, Serway, 3a ed. As três cargas da Fig. 1 estão nos vértices de um triângulo isósceles. Calcular o potencial elétrico, no ponto médio da base, tomando-se q = 7 μC. [3–p69]


O modelo da gota líquida, para os núcleos, sugere que oscilações de grande energia, de certos núcleos, podem provocar a divisão do núcleo em dois fragmentos desiguais, mais alguns poucos nêutrons. Os fragmentos adquirem energia cinética em virtude da repulsão coulombiana. Calcular a energia potencial (em MeV) de dois fragmentos esféricos do núcleo de urânio com as seguintes cargas e raios: +38e e raio 5,5 × 10-15 -15 m; +54e e raio 6,2 × 10 m. Admitir que a carga esteja distribuída uniformemente em todo o volume de cada fragmento esférico e que as superfícies dos fragmentos estejam, inicialmente, em contato. (Os elétrons que envolvem os núcleos podem ser desprezados.) [3 – p72]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV:: Potencial Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 15 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 44:: PPOOTTEENNCCIIAALL EELLÉÉTTRRIICCOO[[11]]


6E) 82 7E) 82 11P) 83 24P) 84 33P) 84 36E) 85 49P) 86 50P) 86 52E) 87 56E) 87 68P) 88 81P) 88


q0

z σ

Fig. 1

(2R) A Fig. 1 mostra, uma chapa não-condutora, infinita, com densidade superficial de cargas positivas σ sobre um lado. a) Qual é o trabalho realizado pelo campo elétrico da chapa, quando uma pequena carga de teste positiva q0 é deslocada de uma posição inicial sobre a chapa até uma posição final localizada a uma distância z, perpendicular, à chapa? b) Use a equação definidora de diferença de potencial e o resultado anterior, para mostrar que o potencial elétrico de uma chapa infinita de carga pode ser escrito como

VV ⎜⎜⎝

⎛−= 0 z⎟⎟

⎠

⎞

02ε

σ

é o potencial na superfície da placa. onde V0 2. Lista Complementar 4: 7E) pág. 82 – Halliday, 4a ed.

(1R) Na experiência da gota de óleo de Millikan, mantém-se um campo elétrico de 1,92 × 105 N/C na região entre as duas placas separadas de 1,5 cm. Determine a diferença de potencial entre as placas.


(3R) O campo elétrico dentro de uma esfera não-condutora de raio R, com carga espalhada com uniformidade por todo o seu volume, está radialmente direcionado e tem módulo dado por

304

)(R

rqrE

πε=

Nesta expressão, q (positiva ou negativa) é a carga total da esfera e r é a distância ao centro da esfera. a) Tomando V = 0 V no centro da esfera, determine o potencial V(r) dentro da esfera. b) Qual é a diferença de potencial elétrico entre um ponto da superfície e o centro da esfera? c) Sendo q positivo, qual desses dois pontos tem maior potencial?


d

d

d

d

+5q

+5q

-5q

-5q

PFig. 2

(1R) Freqüentemente podemos observar um campo elétrico de aproximadamente 100 V/m, próximo à superfície da Terra. Se este fosse o valor do campo sobre toda a superfície, qual seria o potencial elétrico de um ponto sobre a superfície? (Faça V = 0 V no infinito)


(1R) Na Fig. 2, qual é o potencial resultante no ponto P devido às quatro cargas puntiformes, tomando-se V = 0 V no infinito?


(3R) a) A Fig. 3a, mostra uma barra fina de plástico com carga positiva, de comprimento L e densidade de carga linear uniforme λ. Fazendo V = 0 V no infinito e considerando o cálculo do potencial criado por uma Linha de Carga (ver nota de aula ou livro texto), determine o potencial elétrico de um ponto P sem fazer cálculo. b) A Fig. 3b mostra uma barra idêntica , exceto que ela está dividida ao meio e a metade da direita está com carga negativa; as metades da direita e esquerda têm o mesmo módulo para λ para a densidade linear de carga uniforme. Qual é o potencial elétrico no ponto P na Fig. 3b? L/2 L/2

P

d

Fig. 3a

++++++++++++++++++L/2 L/2

P

d

Fig. 3b

++++++++++ - - - - - - -


(3R) A barra fina com carga positiva da Fig. 4 tem uma densidade linear de carga uniforme λ e se encontra ao longo de um eixo x como é mostrado. a) Com V = 0 V no infinito, determine o potencial devido à barra no ponto P sobre o eixo x. b) Use o resultado do item a) para calcular o componente do campo elétrico em P ao longo do eixo x. c) Use uma simetria para determinar o

xL x

P++++++++++++++++

Fig. 4


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV:: Potencial Elétrico ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 16

componente do campo elétrico em P numa direção perpendicular ao eixo x.

y

L

P

x

y

Fig. 5

+++++++++++++++++++

8. Lista Complementar 4: 50P) pág. 86 – Halliday, 4a ed. (3R) Na Fig. 5, uma barra fina com carga positiva, de comprimento L, que está ao longo do eixo x com uma extremidade na origem (x = 0), tem densidade linear de carga dada por kx=λ , onde k é uma constante. a) Fazendo V = 0 V no infinito, determine V no ponto P sobre o eixo y. b) determine o componente vertical Ey da intensidade do campo elétrico em P a partir do resultado da parte a) e também por integração dos campos diferenciais em razão dos elementos de carga diferenciais. c) Por que o componente horizontal Ex, do campo elétrico em P, não pode ser obtido, usando-se o resultado da parte a).

q q d/2 d/2

d/2

C

Fig. 6


(3R) Duas cargas q = +2,0 μC estão fixas no espaço e separadas pela distância d = 2,0 cm, como mostra a Fig. 6. a) Com V = 0 V no infinito, qual é o potencial elétrico em C? b) Uma terceira carga q = +2,0 μC é trazida do infinito até o ponto C. Quanto trabalho foi realizado? c) Qual é a energia potencial U da configuração das três cargas quando a terceira delas está no lugar?


a

-q +q

+q -q

a a

a

Fig. 7

(1R) Deduza uma expressão para o trabalho necessário para formarmos a configuração das quatro cargas da Fig. 7, supondo que as cargas estão, de início, infinitamente afastadas.


(1R) Uma partícula de massa m, carga positiva q e energia cinética inicial K é projetada (a partir do infinito) na direção de um núcleo pesado de carga Q que está fixo. Supondo que a partícula se aproxime frontalmente, a que distância estará ela do núcleo, no instante em que atingir momentaneamente o repouso?


e R , possuem cargas q e q(2R) Duas esferas condutoras concêntricas, finas e isoladas, de raios R1 2 1 2. Com V = 0 V no infinito, deduza expressões para E(r) e V(r), onde r é a distância ao centro das esferas. Faça os gráficos de E(r) e V(r) desde r = 0 até r = 4,0 m para R = 0,50 m, R = 1,0 m, q1 2 1 = +2,0 μC e q = +1,0 μC. 2


CCAAPPÍÍTTUULLOO VV:: Capacitância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 17

CCAAPPÍÍTTUULLOO VV –– CCAAPPAACCIITTÂÂNNCCIIAA LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. Resolva os exercícios sobre dielétricos:

(1R) Sala de Aula 5 – Ex.: 7 pág. 108, Tipler, 3a ed. a) um capacitor de placas planas e paralelas é feito por uma folha de polietileno (κ = 2,3) entre duas folhas de alumínio. A área de cada folha é de 400 cm2 e a espessura do polietileno é de 0,3 mm. Achar a capacitância. [4–p108] (3R) Sala de Aula 5 – Ex.: 8 pág. 108, Tipler, 3a ed. b) Qual a constante dielétrica de um dielétrico no qual a densidade de carga ligada induzida é 80% da densidade de cargas livres sobre as placas do capacitor com dielétrico? Repita o cálculo para 20% da densidade de carga e para 98% da densidade de carga. [4–p108]


a) Mostrar que a capacitância equivalente de dois capacitores em série pode escrever-se como

21

21

CCCC

Ceq +=

b) Usar a expressão para mostrar que C < Ceq 1 e C < Ceq 2. c) Mostrar que a expressão da capacitância equivalente de três capacitores em série é

313221

321

CCCCCCCCC

Ceq ++= . [4–p109]


CCAAPPÍÍTTUULLOO VV:: Capacitância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 18 3. (2R) Sala de Aula 5 – Ex.: 47 pág. 110, Tipler, 3a ed.

d

κ

x

a

b

Fig. 1

Um capacitor de placas planas e paralelas, de comprimento a e largura b, tem um dielétrico com a largura b parcialmente inserido à distância x entre as placas, conforme a figura abaixo. a) achar a capacitância em função de x. Desprezar os efeitos de borda. b) Mostrar que a sua resposta dá o resultado esperado quando x = 0 e quando x = a. [4–p110]

a4. (1R) Sala de Aula 5 – Baseado no Ex.: 16 pág. 92, Serway, 3 ed. Em um, antigo, chip de memória de computador, de 1 megabyte têm capacitores de 60 fF. Usando a aproximação de capacitores de placas paralelas, então, podemos considerar a área das placas de cada capacitor como sendo igual a 21 μm2. Determinar a separação entre as placas de um desses capacitores. O diâmetro atômico característico é de 10-10 m = 1 Å. Exprimir a separação das placas em Å. [3–p92]


Achar a capacitância da Terra. (Sugestão: o condutor externo, desse “capacitor esférico”, é uma casca condutora esférica com raio infinito, onde V ≡ 0V.) [3–p93]


Um detector de radiação, o contador Geiger, é constituído por um cilindro condutor, oco, com um fio metálico fino no seu eixo. Suponha que o diâmetro interno do cilindro seja de 2,5 cm e que o fio axial tenha o diâmetro de 0,2 mm. Se a rigidez dielétrica do gás que preenche o cilindro for de 1,2 × 106 V/m, calcular a voltagem máxima Vmáx aplicável entre o fio e o cilindro sem provocar o rompimento do dielétrico (do gás). [3–p95]


CCAAPPÍÍTTUULLOO VV:: Capacitância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 19 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 55:: CCAAPPAACCIITTÂÂNNCCIIAA[[11]]


2E) 107 6E) 108 8E) 108 11E) 108 17E) 108 23P) 109 26P) 109 29P) 109 31P) 110 61P) 111 63P) 111 64P) 111


(3R) Dois objetos metálicos (um serrote e uma chave de boca) têm cargas líquidas de +70 pC e −70 pC, o que resulta numa diferença de potencial de 20 V entre eles. a) Qual é a capacitância do sistema? b) Se as cargas mudarem para +200 pC e −200 pC, qual será o valor da capacitância? c) Qual será o valor da diferença de potencial?


2(2R) Sejam duas placas metálicas planas, cada uma de área de 1,00 m , com as quais desejamos construir um capacitor de placas paralelas. Para obtermos uma capacitância de 1,00 F, qual deverá ser a separação entre as placas? Será possível construir tal capacitor?


(2R) As placas de um capacitor esférico têm raios de 38,0 mm e 40,0 mm. a) Calcular a capacitância. b) Qual deve ser a área de um capacitor de placas paralelas que tem a mesma separação entre as placas e capacitância idêntica?


C2

C1

C3 V

Fig. 1

(1R) Uma gota esférica de mercúrio de raio R tem uma capacitância dada por C = 4π ε0 R. Se duas destas gotas se combinarem para formar uma única gota maior, qual será a sua capacitância?


(1R) Na Fig. 1, determine a capacitância equivalente da combinação. Suponha que C = 10,0 μF, C1 2 = 5,00 μF e C = 4,00 μF. 3

d

A

Fig. 2

6. Lista Complementar 5: 23P) pág. 109 – Halliday, 4a ed. (1R) A Fig. 2 mostra um capacitor variável que usa o ar como dielétrico, do tipo empregado na sintonia dos aparelhos de rádio. As placas estão ligadas alternadamente, um grupo de placas estando fixo e o outro podendo girar em torno de um eixo. Considere um conjunto de n placas de polaridade alternada, cada uma tendo uma área A e separadas por uma distância d. Mostre que este capacitor tem uma capacitância máxima de

ba

Fig. 3

dAn

C 0)1( ε−= .


(1R) A Fig. 3 mostra dois capacitores em série, cuja seção central, de comprimento b, pode ser deslocada verticalmente. Mostre que a capacitância dessa combinação em série é independente da posição da seção central e é dada por

baA

C−

= 0ε


(2R) Quando a chave S, na Fig. 4, é girada para a esquerda, as placas do capacitor C1 adquirem uma d. d. p. V0. Os capacitores C2 e C3 estão inicialmente descarregados. A chave é, agora, girada para a direita. Quais são as cargas finais q1, q2 e q3 sobre os capacitores correspondentes?

C2

V0 C1

C3

S

+ -

Fig. 4

Entrada Saída C

C

D

D

Fig. 5

a

b

9. Lista Complementar 5: 31P) pág. 110 – Halliday, 4a ed. (2R) A Fig. 5 mostra dois capacitores idênticos C num circuito com dois diodos (ideais) D. (Um diodo ideal tem a propriedade de o fluxo de carga positiva através dele se fazer somente no sentido da seta e o fluxo de carga negativa através dele somente no sentido oposto.) Uma bateria de


CCAAPPÍÍTTUULLOO VV:: Capacitância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 20

100 V é ligada aos terminais de entrada, primeiro com o terminal positivo em a e depois com o terminal positivo em b. Em cada caso, qual é a diferença de potencial através dos terminais de saída?

b d

Fig. 6

10. Lista Complementar 5: 61P) pág. 111 – Halliday, 4a ed. (3R) Uma lâmina de cobre de espessura b é introduzida exatamente no meio e entre as placas de um capacitor de placas paralelas, como mostrado na Fig. 6. a) Qual é a capacitância depois da introdução da placa? b) Mantendo-se a carga q sobre as placas qual é a razão entre as energias armazenadas antes e depois da introdução da lâmina? c) Que trabalho é realizado sobre a lâmina durante a sua introdução?


κ1 κ2 d

Fig. 7

(2R) Um capacitor de placas paralelas, de área A, é preenchido com dois dielétricos, como é mostrado na Fig. 7. Mostre que a capacitância é dada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

221 κκA

= 0ε

dC

Verifique esta fórmula para todos os casos limites possíveis. 12. Lista Complementar 5: 64P) pág. 111 – Halliday, 4a ed.

κ1 κ2

d

Fig. 8

(2R) Um capacitor de placas paralelas, de área A, é preenchido com dois dielétricos como mostra a Fig. 8. Mostre que a capacitância é dada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ 21

21

κκ

κκA= 02ε

dC

Verifique esta fórmula para todos os casos limites possíveis.


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVII:: Corrente e Resistência ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 21

CCAAPPÍÍTTUULLOO VVII –– CCOORRRREENNTTEE EE RREESSIISSTTÊÊNNCCIIAA LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (3R) Sala de Aula 6 – Ex.: 6 pág. 115, Serway, 3a ed.

Suponha que a corrente através de um condutor diminua exponencialmente com o tempo de acordo com τ/

0)( teiti −= onde i0 é a corrente inicial (em t = 0 s), e τ é uma constante com as dimensões de tempo. Considere um ponto de observação fixo no interior do condutor. a) Qual a carga que passa por este ponto, entre t = 0 s e t = τ? b) Qual é a carga que passa por este ponto entre t = 0 s e t = 10τ? c) Que carga passa por este ponto entre t = 0 s e t = ∞? [3–p115]


Um elemento calefator, feito de fio de nicrome de 0,5 mm de diâmetro, está projetado para operar a 110 V e 500 W. a) Admitindo que a resistividade do fio permaneça constante, no seu valor de 200 C, achar o comprimento do fio que deve ser usado. b) Admita, agora, a variação de resistividade com a temperatura. Qual a potência dissipada pelo elemento calefator da parte a) quando for aquecido a 12000 C? [3–p116]


Um fio de cobre e um fio de ferro, com o mesmo comprimento e o mesmo diâmetro, conduzem ambos a corrente i. a) Achar a queda de potencial em cada fio e a razão entre ambas as quedas. b) Em qual fio o campo elétrico é maior? [4–p141]


Um diodo semicondutor é um dispositivo não-linear cuja corrente i está relacionada com a “voltagem” V )1( /

0 −= kTeVeii onde k é a constante de Boltzmann, e é a carga elementar (de um elétron) e T a temperatura absoluta. a) Qual a resistência do diodo em V = 0,5 V se i0 = 10-9 A? b) Qual a resistência em V = 0,6 V? [4–p144]


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVII:: Corrente e Resistência ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 22 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 66:: CCOORRRREENNTTEE EE RREESSIISSTTÊÊNNCCIIAA[[11]]


3P) 129 7E) 129 10E) 129 11P) 129 18E) 130 19E) 130 23E) 130 38P) 130 51E) 131 57P) 131


(1R) Uma esfera condutora isolada tem um raio de 10 cm. Um fio transporta para dentro dela uma corrente de 1,0000020 A. Um outro frio transporta para fora dela uma corrente de 1,0000000 A. Quanto tempo levaria para que o potencial da esfera sofresse um aumento de 1000 V?


(1R) Um fusível num circuito elétrico é um fio projetado para fundir e, desse modo, abrir o circuito, se a corrente exceder um valor predeterminado. Suponha que o material que compõe o fusível derreta assim que a densidade de corrente atinge 440 A/cm2. Qual deve ser o diâmetro do fio cilíndrico a ser usado para limitar a corrente a 0,50 A?


p

n

Fig. 1

(2R) Uma junção pn é formada a partir de dois materiais semicondutores diferentes na forma de cilindros idênticos com raio de 0,165 mm, como mostrado na Fig. 1. Numa aplicação, 3,50 × 1015 elétrons por segundo fluem através da junção do lado n para o lado p, enquanto que 2,25 × 1015 buracos por segundo fluem do lado p para o lado n. (Um buraco atua como uma partícula de carga +1,60 × 10-19 C.) Quais são a) a corrente total e b) a densidade de corrente?


-3(2R) Próximo à Terra, a densidade de prótons no vento solar é 8,70 cm e a velocidade escalar é de 470 km/s. a) Determine a densidade de corrente destes prótons. b) Se os prótons não fossem desviados pelo campo magnético da Terra, colidiriam com ela. Neste caso, que corrente total receberia a Terra?


(1R) Uma pessoa pode ser eletrocutada se uma corrente tão pequena quanto 50 mA passar perto de seu coração. Um eletricista que trabalha com as mãos suadas faz um bom contato com dois condutores que está segurando. Se sua resistência fosse de 2.000 Ω, qual seria voltagem final?


0(1R) Uma bobina é formada por 250 voltas de um fio de cobre n 16 (diâmetro = 1,3 mm) isolado numa única camada de forma cilíndrica cujo raio mede 12 cm. Qual é a resistência da bobina? Despreze a espessura do material isolante.


(1R) A resistência do enrolamento de cobre de um motor é igual a 50 Ω a 200C quando o motor está parado. Após várias horas de funcionamento, a resistência aumenta para 58 Ω. Qual é a temperatura do enrolamento? Despreze as alterações nas dimensões do enrolamento


(1R) O cobre e o alumínio estão sendo considerados para uma linha de transmissão de alta voltagem que deve transportar uma corrente de 60,0 A. A resistência por unidade de comprimento deve ser de 0,150 Ω/km. Calcule para cada opção de material para cabo a) a densidade de corrente e b) a massa por metro de cabo. As densidades do cobre e do alumínio são 8.960 e 2.700 k/m3, respectivamente


(4R) O Conselho Nacional de Seguro Contra Incêndio fixou os limites de segurança para os valores de corrente em conformidade com os tamanhos e tipos de fios. Para o fio de cobre no 10, com isolamento de borracha (diâmetro = 0,25 cm), a corrente admissível é de 25 A. Para esta corrente, determine a) a densidade de corrente, b) o campo elétrico, c) a diferença de potencial através de 305 m de fio e d) a taxa em que a energia térmica é dissipada nos 305 m de fio.


(4R) Uma lâmpada de 100 W é ligada a uma tomada padrão de 120 V. a) Quanto custa para deixar a lâmpada acesa durante um mês? Suponha que a energia elétrica custe 6 cents/kW h. b) Qual é a resistência da lâmpada? c) Qual é acorrente na lâmpada? d) A resistência é diferente quando a lâmpada está desligada?


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIII:: Circuitos ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 23

CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIII –– CCIIRRCCUUIITTOOSS LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (4R) Sala de Aula 7 – Ex.: 9 pág. 168, Tipler, 3a ed.

Um capacitor de 6 μF é carregado a 100 V e depois ligado a um resistor de 500 Ω (descarga de capacitor). a) Qual a carga inicial no capacitor? b) Qual a corrente inicial logo depois de o capacitor ter sido ligado ao resistor? c) Qual a constante de tempo deste circuito? d) Qual a carga no capacitor depois de 6 ms? [4–p168]


Duas baterias idênticas, cada qual com a fem ε e a resistência interna r, podem ser ligadas, através de um resistor de resistência R, ou em série ou em paralelo. Com qual das duas ligações a potência proporcionada a R será maior, sendo a) R < r. b) R > r. [4–p169]


O espaço entre as placas de um capacitor de placas planas e paralelas está cheio por um dielétrico de constante κ e resistividade ρ. a) Mostrar que a constante de tempo para o decréscimo de carga nas placas é ρκετ 0= . b) Se o dielétrico for mica, que tem κ = 5,0 e ρ = 9 × 1013 Ωm, achar o tempo necessário para a carga diminuir a 1/e2 ≈ 14% da carga inicial. [4–p169]


Uma combinação paralela de um resistor de 8 Ω e um resistor R desconhecido está ligado em série com um resistor de 16 Ω e uma bateria. Depois, o circuito é desfeito e os três resistores são ligados em série, um com o outro, e a combinação é ligada à mesma bateria. Nos dois circuitos, a corrente através do resistor de 8 Ω é a mesma. Qual a resistência desconhecida R? [4–p170]


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIII:: Circuitos ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 24 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 77:: CCIIRRCCUUIITTOOSS[[11]]


1E) 149 6E) 150 10E) 150 14E) 150 21P) 151 29E) 151 30E) 151 44P) 153 51P) 153 53E) 154 57P) 154 60P) 154 66E) 154 79) 156


(2R) a) Que quantidade de trabalho uma bateria ideal, com um fem de 12,0 V, realiza sobre um elétron que atravessa do terminal positivo para o terminal negativo? b) Sabendo-se que 3,4 × 1018 elétrons atravessam a bateria por segundo, qual é a sua potência?


(3R) Um fio de resistência 5,0 Ω está ligado a uma bateria cuja fem ξ é de 2,0 V e a resistência interna é de 1,0 Ω. Em 2,0 min a) que quantidade de energia é transferida de forma química para forma elétrica? b) Que quantidade de energia aparece no fio como energia térmica? c) Explique a diferença mostrada nas respostas dos itens a) e b).

Q

P

- +

3,0 Ω

150 V

Fig. 1

- +

2,0 Ω

50 V 3. Lista Complementar 7: 10E) pág. 150 – Halliday, 4a ed.

(1R) Na Fig. 1, quando o potencial no ponto P é de 100 V, qual é o potencial no ponto Q?


(3R) O indicador de gasolina de um automóvel é mostrado esquematicamente na Fig. 2. O indicador (do painel) tem uma resistência de 10 Ω. O tanque é simplesmente um flutuador ligado a um resistor variável que tem uma resistência de 140 Ω quando o tanque está vazio, 20 Ω quando ele está cheio e varia linearmente com o volume de gasolina. Determine a corrente no circuito quando o tanque está a) vazio; b) metade cheio e c) cheio.

Rindicador

12 V + -

Rtanque Ligado

através de chassis

Fig. 2 5. Lista Complementar 7: 21P) pág. 151 – Halliday, 4a ed.

(3R) Uma célula solar gera uma diferença de potencial de 0,10 V quando um resistor de 500 Ω está ligado a ela, e uma diferença de potencial de 0,15 V quando o resistor for de 1.000 Ω. Quais são a) a resistência interna e b) a fem da célula solar? c) A área da célula solar é de 5,0 cm

R2

+ -

R1

+ - + -

ε1 ε2 ε3

Fig. 3

a b

2 e a taxa por unidade de área em que ela recebe energia luminosa é de 2,0 mW/cm2. Qual é a eficiência da célula para converter a energia luminosa em energia térmica no resistor externo de 1.000 Ω?


(2R) Na Fig. 3 determine a corrente em cada resistor e a diferença de potencial entre a e b. Considere ε = 6,0 V, ε = 5,0 V, ε1 2 3 = 4,0 V, R1 = 100 Ω e R2 = 50 Ω.

R1 - + R1

ε

Fig. 4

R2 R2

R1 R1

S3 S2 S1 a 7. Lista Complementar 7: 30E) pág. 151 – Halliday, 4a ed. A Fig. 4 mostra um circuito contendo três chaves, indicadas por S , S e S1 2 3. Determine a corrente que passa por a para todas as combinações possíveis das chaves. Considere ε = 120 V, R1 = 20,0 Ω e R2 = 10,0 Ω. Suponha que a bateria não possui resistência.


(2R) Numa lâmpada de três vias de 120 V regulada para 100, 200 e 300 W, um dos filamentos se queima. Depois disso, a lâmpada opera sem alterar as intensidades correspondentes às posições mais baixa e mais alta da chave, porém não opera na posição do meio. a) De que modo os filamentos estão ligados às três posições da chave? b) Calcular as resistências dos filamentos.

+ -

R

ε

Fig. 5

R0

x


(1R) A Fig. 5 mostra uma bateria ligada a um resistor uniforme R0. Um contato deslizante pode percorrer o resistor desde x = 0, à esquerda, até x = 10 cm, à


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIII:: Circuitos ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 25

direita. Determine uma expressão para a potência dissipada no resistor n R como função de x. 10. Lista Complementar 7: 53E) pág. 154 – Halliday, 4a ed.

(4R) Um simples ohmímetro é feito ligando-se uma bateria de lanterna de 1,50 V em série com uma resistência R e um amperímetro que lê desde 0 até 1,00 mA, como é mostrado na Fig. 6. R é ajustado de modo que, ao fazer-se contato direto entre os “clips”, o ponteiro sofre deflexão sobre a escala completa (de 1,00 mA). Que resistência externa ligada entre os clips resultaria na deflexão de a) 10%, b) 50%, c) 90% da escala completa? d) Sabendo-se que a resistência do amperímetro vale 20 Ω e que a resistência interna da bateria é desprezível, qual é o valor de R?

- + R

ε

Fig. 6

0 a 1,00 mA


ε

+ - V

Motor de Arranque

A

Luzes

S S

Fig. 7

(2R) Quando as luzes de um automóvel estão ligadas, um amperímetro em série com elas indica 10 A e um voltímetro ligado através delas indica 12 V. Veja a Fig. 7. Quando o motor de arranque é ligado, a indicação do amperímetro cai para 8,0 A e as luzes se ofuscam um pouco. Sabendo-se que a resistência interna da bateria é de 0,050 Ω e que a do amperímetro é desprezível, quais são a) a fem da bateria e b) a corrente que percorre o motor de arranque quando as luzes estão acesas?


) e um amperímetro (resistência R(1R)Um voltímetro (resistência RV A) são ligados para medir uma resistência R, como mostra a Fig. 8. A resistência é dada por R = V/i, onde V é a leitura do voltímetro e i é a corrente no resistor R. Parte da corrente (i') registrada pelo amperímetro passa através do voltímetro, de modo que a razão das leituras dos medidores (= V/i') dá somente o valor aparente R' para a resistência. Mostre que R e R' estão relacionados por

R0 + -

R

ε

Fig. 8

V

A

VRRR1

'11

−= .

RRRV →∞→ 'Note que para . 13. Lista Complementar 7: 66E) pág. 154 – Halliday, 4a ed.

(1R) Quantas constantes de tempo devem decorrer até que um capacitor em um circuito RC em série esteja carregado com menos de 1,0% de sua carga de equilíbrio?


Leste Oeste

x

Caminho condutor

Fig. 9

(2R) Um longo cabo subterrâneo de 10 km, se estende de leste para oeste e consiste em dois fios paralelos cuja resistência é 13 Ω/km. Um curto-circuito se forma a uma distância x medida a partir da extremidade oeste quando um caminho condutor de resistência R faz a ligação entre os fios (Fig. 9). A resistência dos fios e o caminho condutor são de 100 Ω quando a medida é feita a partir da extremidade leste e 200 Ω quando ela é feita a partir da extremidade oeste. Quais são os valores de a) x e b) R?


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIIIII:: O Campo Magnético ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 26

CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIIIII –– OO CCAAMMPPOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (5R) Sala de Aula 8 – Ex.: 7 pág. 197, Keller, 2a ed.

Bobina em um tubo. Uma bobina com N voltas e corrente I está enrolada em um tubo fino de diâmetro D e comprimento L, conforme a figura. Enrolam-se cordões finos em volta da circunferência, os quais são presos a um suporte rígido que não é exibido. Suponha que o sistema tubo-bobina esteja em equilíbrio estático. a) Mostre que os cordões devem ser verticais. b) Determine a corrente mínima I θ

B A

D L

Cordão

Fig. 1

0 para o qual o sistema tubo-bobina (de massa combinada m) possa estar em equilíbrio estático em um campo magnético uniforme B dirigido verticalmente para cima. c) Qual é o ângulo θ neste caso? d) Para que ângulo θ o sistema está em equilíbrio se

? e) Essa segunda configuração apresenta equilíbrio estável ou instável? Explique[2–p197].

02 II =

z

y

x

a

b

i

3 cm

4 cm

Fig. 2

2. (1R) Sala de Aula 8 – Ex.: 31 pág. 199, Tipler, 3a ed. O fio condutor da Fig. 2 tem uma corrente de 1,8 A entra a e b. O campo magnético presente é B = 1,2 T k. Achar a força resultante sobre o fio e mostrar que é a mesma força que agiria sobre o fio retilíneo entre a e b.[4–p199]


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIIIII:: O Campo Magnético ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 27 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 88:: OO CCAAMMPPOO MMAAGGNNÉÉTTIICCOO[[11]]


3E) 176 6P) 176 18P) 177 19E) 178 24E) 178 27E) 178 31P) 178 46P) 179 48P) 180 61P) 181 62E) 181 63E) 181


6(2R) Um elétron num tubo de TV está se movendo a 7,20 × 10 m/s num campo magnético de intensidade de 83,0 mT. a) Sem conhecermos a direção do campo, quais são o maior e o menor módulo da força que o elétron pode sentir devido a este campo? b) Num certo ponto a aceleração do elétron é 4,90 × 1014 m/s2. Qual é o ângulo entre a velocidade do elétron e o campo magnético?


(1R) Um elétron num campo magnético uniforme tem uma velocidade v = (40 km/s) i + (35 km/s) j. Ele experimenta uma força F = −(4,2 fN) i + (4,8 fN) j. Sabendo-se que Bx = 0 T, calcular o campo magnético.

3. Lista Complementar 8: 18P) pág. 177 – Halliday, 4a ed. v

x y

× × × B

Fig. 1

× × × (1R) Uma tira metálica, com 6,50 cm de comprimento, 0,850cm de largura e 0,760 mm de espessura, se move com velocidade constante v através de um campo magnético B = 1,20 mT perpendicular à tira, de acordo com a Fig. 1. Uma diferença de potencial de 3,90 μV é medida entre os pontos x e y através da tira. Calcule a velocidade escalar v.


(1R) Campos magnéticos são freqüentemente usados para curvar um feixe de elétrons em experiências de física. Que campo magnético uniforme, aplicado perpendicularmente a um feixe de elétrons que se move a 1,3 × 106 m/s, é necessário para fazer com que os elétrons percorram uma trajetória circular de raio 0,35 m?


(1R) O físico S. A. Goudsmit criou um método para medir com precisão as massas dos íons pesados pela cronometragem de seus períodos de revolução num campo magnético conhecido. Um íon monovalente de iodo faz 7,00 rev num campo de 45,0 mT em 1,29 ms. Calcule a sua massa, em unidades de massa atômica. Na realidade, as medidas de massa são feitas com uma precisão muito maior do que a sugerida por estes dados aproximados.


Feixe de elétrons Placa

Janela

d Fig. 2

(2R) Um feixe de elétrons cuja energia cinética é K emerge da “janela” de saída na extremidade de um tubo acelerador. Existe uma placa metálica a uma distância d dessa janela e perpendicular à direção do feixe emergente. Veja a Fig. 2. Mostre que podemos evitar que o feixe colida com a placa se aplicarmos um campo magnético tal que

22

2deKm

B ≥

onde m e e são, respectivamente, a massa e a carga do elétron. Qual deve ser a orientação de B?


A Fig. 3 mostra os aspectos mais importantes de um espectrômetro de massa, que é usado para medir as massas dos íons. Um íon de massa m e carga +q é produzido numa fonte S, uma câmara onde ocorre uma descarga gasosa. O íon, praticamente em repouso, deixa S, é acelerado por uma diferença de potencial V e, então, entra numa câmara onde existe um campo magnético B. No campo ele se move num semicírculo, incidindo numa chapa fotográfica a uma distância x da abertura da entrada. Mostre que a massa m do íon é dada por

+q

S

x

• • • • • • • • • • • • • • •

B

Fig. 3

22

8x

VqB

m = .


CCAAPPÍÍTTUULLOO VVIIIIII:: O Campo Magnético ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 28 8. Lista Complementar 8: 46P) pág. 179 – Halliday, 4a ed.

(2R) Um fio de 62,0 cm de comprimento e 13,0 g de massa está suspenso por um par de condutores flexíveis, num campo magnético de 0,440 T (Fig. 4). Quais são a intensidade e o sentido da corrente necessários para anular a tensão mecânica nos fios de suporte? (Obs.: o campo magnético entra no plano da folha.)

× × × × × ×

62,0 cm

B

Fig. 4


(2R) Um fio de metal de massa m desliza sem atrito sobre dois trilhos horizontais separados por uma distância d, como na Fig. 5. Os trilhos são colocados num campo magnético uniforme B. Uma corrente constante i flui de um gerador G ao longo de um trilho, através do fio e retorna pelo outro trilho. Determine a velocidade (módulo, direção e sentido) do fio em função do tempo, supondo que ele esteja em repouso no instante t = 0 s.


(1R) A Fig. 6 mostra um cilindro de madeira com massa m = 0,250 kg e comprimento L = 0,100m, com N = 10,0 voltas de fio enrolado em torno dele longitudinalmente, de modo que o plano da bobina, assim formada, contenha o eixo do cilindro. Qual é a corrente mínima através da bobina capaz de impedir o cilindro de rolar para baixo no plano inclinado de θ em relação à horizontal, na presença de um campo magnético uniforme vertical de 0,500 T, se o plano dos enrolamentos for paralelo ao plano inclinado?

G

B

i i m

i d

Fig. 5

i

L

θ

B

Fig. 6


(2R) Uma bobina circular de 160 voltas tem um raio de 1,90 cm. a) Calcular a corrente que origina o momento magnético de 2,30 Am2. b) Determine o torque máximo que a bobina, transportando esta corrente, pode experimentar num campo magnético uniforme de 23,0 mT.


22(1R) O momento de dipolo magnético da Terra vale 8,00 × 10 J/T. Suponha que ele seja produzido por cargas fluindo no núcleo derretido da Terra. Calcular a corrente gerada por estas cargas, supondo que o raio da trajetória descrita por elas seja 3500 km.


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIXX:: Lei de Ampère ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 29

CCAAPPÍÍTTUULLOO IIXX –– LLEEII DDEE AAMMPPÈÈRREE LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (3R) Sala de Aula 9 – Ex.: 25 pág. 226, Keller, 2a • • •

• • • •

• • • •

• • • b

c

I0

Fig. 1

ed. Um longo cilindro condutor oco conduz uma corrente I0, distribuída uniformemente sobre a seção transversal, conforme Fig. 1. Determine o módulo do campo magnético em um ponto à distância R do eixo do cilindro, para a) R ≤ b; b) b ≤ R ≤ c; c) c ≤ R. [2–p226]


Um fio condutor isolado, infinitamente comprido, está sobre o eixo dos x e conduz uma corrente I na direção dos x positivos. Um outro fio, também infinitamente longo, isolado, está sobre o eixo dos y e conduz uma corrente I/4 na direção dos y positivos. Em que ponto do plano xy o campo magnético é nulo? [4–p225]

y

z

x

I O

w

b

P

Fig. 2


Uma tira metálica, delgada, comprida, de largura w, conduz uma corrente I no sentido do seu comprimento, como mostra a Fig. 2. Achar o campo magnético no plano da fita (num ponto externo P), à distância b da borda da fita.[3–p209]


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIXX:: Lei de Ampère ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 30 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 99:: LLEEII DDEE AAMMPPÈÈRREE[[11]]


3E) 198 4E) 198 10E) 198 11P) 198 17P) 199 19P) 199 28E) 200 37P) 201 38P) 201 44P) 202 46P) 202 56E) 203 61P) 204 62P) 204 65E) 204


(2R) Um topógrafo está usando uma bússola a 6 m abaixo de uma linha de transmissão na qual existe uma corrente constante de 100 A. a) Qual é o campo magnético no local da bússola em virtude da linha de transmissão? b) Isso irá interferir seriamente na leitura da bússola? O componente horizontal do campo magnético da Terra no local é de 20 μT.


(1R) O canhão de elétrons em tubo de TV dispara um feixe de elétrons de 25 keV que atinge a tela na razão de 5,6 × 1014 elétrons por segundo. O diâmetro do feixe é de 0,22 mm. Calcule o campo magnético produzido pelo feixe num ponto a 1,5 mm do eixo do feixe.

3. Lista Complementar 9: 10E) pág. 198 – Halliday, 4a ed. i i

(1R) Um condutor retilíneo transportando uma corrente i, é dividido em voltas semicirculares idênticas, como é mostrado na Fig. 1. Qual é o campo magnético no centro C da espira circular resultante?

Fig. 1

C


(3R) O fio mostrado na Fig. 2 transporta uma corrente i. Que campo magnético B é produzido no centro do semicírculo a) por cada segmento retilíneo de comprimento L, b) pelo segmento semicircular de raio R e c) pelo fio inteiro? R

L L C

i i

Fig. 2


(2R) Um segmento retilíneo de fio, de comprimento L, transporta uma corrente i. Mostre que o módulo do campo magnético B produzido por este segmento, a uma distância R do segmento ao longo de sua mediatriz (Ver Fig. 3), é

( ) 2/122 4RL

L

R

i

+

0

2B =

π

μ.

L R

i

Fig. 3

P Mostre que esta expressão se reduz a um resultado esperado quando L → ∞. 6. Lista Complementar 9: 19P) pág. 199 – Halliday, 4a ed.

(2R) Mostre que o módulo do campo magnético produzido no centro de uma espira retangular de fio, de comprimento L e largura W, transportando uma corrente i, é

( )WL

WLi 2/1220 +B

2=

πμ

.

Mostre que, para , esta expressão se reduz a um resultado consistente. Qual é o problema que apresenta este mesmo resultado?

WL >>× Fio 1

Fio 2

P

0,75 cm

1,5 cm

Fig. 4


(1R) Dois fios paralelos, retilíneos e longos, separados por 0,75 cm estão perpendiculares ao plano da página, como é mostrado na Fig. 4. O fio 1 transporta corrente de 0,65 A para dentro da página. Qual deve ser a corrente (intensidade e sentido) no fio 2 para que o campo magnético resultante no ponto P seja zero?


× Fig. 5

•

d R

(2R) Dois fios longos, separados por uma distância d, transportam correntes iguais i antiparalelas, com se vê na Fig. 5. a) Mostre que o módulo do campo magnético no ponto P, que é eqüidistante dos fios, é dado por

)220

dRdi

+

μ4(2

B =π

.

b) em que direção aponta B?


CCAAPPÍÍTTUULLOO IIXX:: Lei de Ampère ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 31 9. Lista Complementar 9: 38P) pág. 201 – Halliday, 4a ed.

(1R) Na Fig. 6, o fio retilíneo longo transporta uma corrente de 30 A e a espira retangular transporta uma corrente de 20 A. Calcular a força resultante atuando sobre a espira. Suponha que a = 1,0 cm, b = 8,0 cm e L = 30 cm.


(2R) Duas espiras quadradas, condutoras, transportam correntes de 5,0 A e

3,0 A, como é mostrado na Fig. 7. Qual é o valor de

30 A

20 A

20 A a

b

L Fig. 6

∫ ⋅ dBv

sv para cada uma

das curvas fechadas mostradas? 11. Lista Complementar 9: 46P) pág. 202 – Halliday, 4a ed.

(3R) A Fig. 8 mostra uma seção transversal de um condutor cilíndrico, oco, de raios a e b, transportando uma corrente i uniformemente distribuída. a) Mostre que B(r) para a faixa de b < r < a é dado por 5,0 A 3,0 A

Caminho 1

Caminho 2 Fig. 7

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −r

br 22

)−=

bai

B22

0

(2 πμ

b) Mostre que, quando r = a, esta equação dá o campo magnético B para um fio retilíneo longo; quando r = b, dá campo dá campo magnético nulo e quando b = 0, dá o campo magnético no interior de um condutor sólido. c) Suponha a = 2,0 cm, b = 1,8 cm e i = 100 A e faça o gráfico de B(r) na faixa 0 < r < 6 cm.

a b

r

Fig. 8


(2R) Um toróide, tendo seção transversal quadrada, com 5,00 cm de lado e um raio interno de 15,0 cm, possui 500 espiras e transporta uma corrente de 0,800 A. Qual o módulo do campo magnético no interior do toróide a) no raio interno e b) no raio externo do toróide?


(1R) Um solenóide longo tem 100 espiras por centímetro e transporta uma corrente i. Um elétron se move no interior do solenóide num círculo de raio 2,30 cm perpendicular ao eixo do solenóide. A velocidade escalar do elétron é 0,0460c (velocidade escalar da luz). Determine a corrente i no solenóide.


(2R) Um efeito interessante (e frustrante) ocorre quando tentamos confinar uma coleção de elétrons e íons positivos (um plasma) no campo magnético de um toróide. As partículas que se movem perpendicularmente ao campo magnético não percorrem trajetórias circulares porque a intensidade do campo varia com a distância radial ao eixo do toróide. Tal efeito, que é mostrado (exageradamente) na Fig. 9, faz com que as partículas de sinais opostos sejam deslocadas em sentidos opostos, paralelamente ao eixo do toróide. a) Qual é o sinal da carga da partícula, cuja trajetória está esboçada na figura? b) Se a trajetória da partícula tiver um raio de curvatura de 11,0 cm, quando a sua distância radial média ao eixo do toróide for de 125 cm, qual será o raio de curvatura quando a partícula estiver a uma distância radial média de 110 cm do eixo?

× ×

× ×

× × 125 cm

Linha de campo

magnético

• •

• •

• •

Fig. 9

x

y

P

R

R

i i

Fig. 10


(1R) A Fig. 10 mostra um arranjo conhecido como bobina de Helmholtz. Ela consiste em duas bobinas circulares co-axiais cada uma com N espirais de raio R, separadas por uma distância R. As duas bobinas transportam correntes iguais i no mesmo sentido. Determine o campo magnético no ponto P, a meio caminho entre as bobinas.


CCAAPPÍÍTTUULLOO XX:: Lei da Indução de Faraday ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 32

CCAAPPÍÍTTUULLOO XX –– LLEEII DDAA IINNDDUUÇÇÃÃOO DDEE FFAARRAADDAAYY LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (1R) Sala de Aula 10 – Ex.: 3E pág. 223, Halliday, 4a ed.

Uma antena circular de televisão para UHF (Ultra High Frequency – Freqüência Ultra Elevada) tem o diâmetro de 11 cm. O campo magnético de um sinal de TV é normal ao plano da antena e, num dado instante, seu módulo está variando na taxa de 0,16 T/s. O campo é uniforme. Qual é a fem na antena?[1–p223]

2. (2R) Sala de Aula 10 – Ex.: 23E pág. 225, Halliday, 4a ed.

Uma barra metálica está se movendo com velocidade constante ao longo de dois trilhos metálicos paralelos, ligados por tira metálica numa das extremidades, como mostra a Fig. 1. Um campo magnético B = 0,350 T aponta para fora da página. a) Sabendo-se que os trilhos estão separados de 25,0 cm e a velocidade escalar da barra é 55,0 cm/s, que fem é gerada? b) Sabendo-se que a resistência da barra é 18,0 Ω e que a resistência dos trilhos é desprezível, qual é a corrente na barra?[1–p225]

• • • B • • • • • •

L v

Fig. 1


CCAAPPÍÍTTUULLOO XX:: Lei da Indução de Faraday ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 33 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 1100:: LLEEII DDAA IINNDDUUÇÇÃÃOO DDEE FFAARRAADDAAYY[[11]]


4E) 223 5E) 223 6E) 223 11P) 224 13P) 224 16P) 224 17P) 224 30P) 226 37P) 227 40E) 227 42P) 227 43P) 227


(1R) Um campo magnético uniforme B é perpendicular ao plano de uma espira circular de raio r. O módulo do campo varia com o tempo de acordo com a relação:

τ/0

teBB −= ,

onde e τ são constantes. Determine a fem induzida na espira em função do tempo.

0B• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

R

Fig. 1


(2R) O fluxo magnético através da espira mostrada na Fig. 1 cresce com o tempo de acordo com a relação

tt 0,70 2 +B ,6=Φ

onde é dado em miliwebers e t em segundos. a) Qual é o módulo da fem induzida na espira quando t = 2,0 s? b) Qual é o sentido da corrente em R?

BΦ


(3R) O módulo do campo magnético através de uma espira circular de 12 cm de raio e resistência igual a 8,5 Ω varia com o tempo como mostra a Fig. 2. Determine a fem na espira em função do tempo. Considere os intervalos de tempo a) de t = 0 s até t = 2,0 s; b) de t = 2,0 s até t = 4,0s; c) de t = 4,0 s até t = 6,0 s. O campo magnético (uniforme) é perpendicular ao plano da espira.


(1R) Um solenóide longo com raio de 25 mm possui 100 espiras/cm. Uma espira circular de 5,0 cm de raio é colocada em torno do solenóide de modo que seu eixo coincida com o eixo do solenóide. A corrente no solenóide é reduzida de 1,0 A para 0,5 A numa taxa constante durante o intervalo de tempo de 10 ms. Que fem aparece na espira?

0 2,0 4,0 6,0 8,0 t(s)

B(T) 1,0 0,5

Fig. 2


(1R) Um toróide tem uma seção transversal quadrada de lado igual a 5,0 cm, raio interno de 15 cm, 500 espiras e transporta uma corrente de 0,800 A. Qual é o fluxo através da seção transversal?


(3R) A Fig. 3, mostra duas espiras de fio, paralelas, tendo o mesmo eixo. A espira menor (raio r) está acima da espira maior (raio R), a uma distância x >> R . Conseqüentemente, o campo magnético em virtude da corrente i ma espira maior é aproximadamente constante através da espira menor. Suponha que x esteja crescendo numa taxa dx/dt = v. a) Determine o fluxo magnético através da área limitada pela espira menor em função de x. b) Calcular a fem gerada na espira menor. c) Determine o sentido da corrente induzida na espira menor.

x

r

Ri

Fig. 3 7. Lista Complementar 10: 17P) pág. 224 – Halliday, 4a ed.

(2R) Na Fig. 1, seja o fluxo através da espira no instante t = 0 s. Além disso, suponhamos que o campo magnético B esteja variando de forma contínua, não-especificada, tanto em módulo como em direção e sentido, de modo que no instante t o fluxo seja representado por . a) Mostre que a carga

líquida que passou através do resistor durante o intervalo desde t = 0 s até t = t, é

)0(BΦ

)(tBΦ)(tq

[ ])()0(1

)( tR

tq BB Φ−Φ=


CCAAPPÍÍTTUULLOO XX:: Lei da Indução de Faraday ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 34

e é independente da forma como B tenha variado. b) Num caso particular, onde , temos

que . A corrente induzida é necessariamente nula no intervalo desde t = 0 s até t = t?

)0()( BB t Φ=ΦCtq 0)( =


(1R) Um gerador elétrico consiste em 100 espiras de fio formando uma bobina retangular de 50 cm por 30 cm, imersa completamente num campo magnético uniforme com módulo B = 3,50 T. Qual será o valor máximo da fem produzida quando a bobina for girada a 1.000 revoluções por minuto em torno de um eixo perpendicular a B?


(2R) Uma espira retangular, de fio, de comprimento a, largura b, e resistência R está colocada nas proximidades de um fio infinitamente longo que transporta uma corrente i, como mostra a Fig. 4. A distância do fio longo ao centro da espira é r. Determine a) o módulo do fluxo magnético através da espira e b) a corrente na espira à medida que ela se agasta do fio longo com uma velocidade escalar v.


(2R) Um solenóide longo tem um diâmetro de 12,0 cm. Quando uma corrente i percorre suas espiras, um campo magnético uniforme B = 30,0 mT é produzido em seu interior. Diminuindo-se o valor de i, o campo diminui na taxa de 6,50 mT/s. Calcular o módulo do campo elétrico induzido num ponto situado a uma distância do eixo do solenóide igual a a) 2,20 cm e b) 8,20 cm.

a

b

ri

v

Fig. 4


(1R) No começo de 1981, o “Francis Bitter Magnet Laboratory” do MIT começou a operar um eletroímã cilíndrico, de diâmetro 3,3 cm, que produz um campo de 30 T, na época o maior campo estacionário obtido em laboratório. O campo pode ser variado senoidalmente entre os limites de 29,6 e 30 T para uma freqüência de 15 Hz. Quando isto é feito, qual é o valor máximo do campo elétrico induzido a uma distância radial de 1,6 cm a partir do eixo?


× × × × × × × × × × × × × × × ×

c

a

b

r

r

R

B

Fig. 5

(1R) A Fig. 5 mostra um campo magnético uniforme B confinado a um volume cilíndrico de raio R. O módulo de B está decrescendo numa taxa constante de 10 mT/s. Qual é a aceleração instantânea (módulo, direção e sentido) experimentada por um elétron, quando colocado sucessivamente nos pontos a, b e c? Suponha r = 5,0 cm.


CCAAPPÍÍTTUULLOO XXII:: Indutância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 35

CCAAPPÍÍTTUULLOO XXII –– IINNDDUUTTÂÂNNCCIIAA LISTA DE EXERCÍCIOS LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / Aluno: Turma: Data: / / 1. (3R) Sala de Aula 11 – Ex.: 6P pág. 248, Halliday, 4a ed.

Indutores em paralelo. Dois indutores L1 e L2 estão ligados em paralelo e separados por uma distância grande. a) Mostre que a indutância equivalente é dada por

21

111LLLeq

+=

b) Por que a separação entre os indutores tem de ser grande para que a relação acima seja válida? c) Qual é a generalização do item a) para N indutores em paralelo?[1–p248]

2. (1R) Sala de Aula 11 – Ex.: 17E pág. 249, Halliday, 4a ed.

Quanto tempo, após a remoção da bateria, a diferença de potencial através do resistor num circuito RL (com L = 2,00 H, R = 3,00 Ω) decai a 10,0% de seu valor inicial?[1–p249]


CCAAPPÍÍTTUULLOO XXII:: Indutância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 36 LLIISSTTAA CCOOMMPPLLEEMMEENNTTAARR 1111:: IINNDDUUTTÂÂNNCCIIAA[[11]]


2E) 248 5P) 248 6P) 248 8P) 248 12E) 249 15E) 249

29E) 250 34P) 250 46P) 251 47E) 251 50P) 251 54) 252


(2R) Uma bobina circular tem um raio de 10,0 cm e é formada por 30,0 espiras de arame muito próximas. Um campo magnético externo de 2,60 mT é perpendicular à bobina. a) Não havendo corrente na bobina qual é o fluxo através dela? b) Quando a corrente na bobina é de 3,80 A, num certo sentido, o fluxo líquido através da bobina é nulo. Qual é a indutância na bobina?


(3R) Indutores em Série. Dois indutores L e L1 2 estão ligados em série e separados por uma distância grande. a) Mostre que a indutância equivalente é dada por

21 LLLeq += .

b) Por que a separação entre os indutores tem de ser grande para que a relação acima seja válida? c) Qual é a generalização do item a) para N indutores em série?


(3R) Indutores em Paralelo. Dois indutores L e L1 2 estão ligados em paralelo e separados por uma distância grande. a) Mostre que a indutância equivalente é dada por

21

111

LLLeq

+= .

b) Por que a separação entre os indutores tem de ser grande para que a relação acima seja válida? c) Qual é a generalização do item a) para N indutores em paralelo?


(1R) Dois fios longos e paralelos, cada um com raio a, cujos centros estão separados por uma distância d, são percorridos por correntes iguais em sentidos opostos. Mostre que, desprezando o fluxo dentro dos próprios fios, a indutância de um comprimento l deste par de fios é dada por

a

adlL

−= ln0

π

μ.

(Sugestão: Calcule o fluxo através de um retângulo que tem os fios como lados.) 5. Lista Complementar 11: 12E) pág. 249 – Halliday, 4a ed.

(2R) A indutância de uma bobina compacta é tal que uma fem de 3,0 mV é induzida quando a corrente varia a uma taxa de 5,0 A/s. Uma corrente constante de 8,0 A produz um fluxo magnético de 40 μWb através da espira. a) Calcule a indutância da bobina. b) Quantas espiras tem a bobina?


(1R) Em termos de τL, quanto tempo devemos esperar para que a corrente num circuito RL cresça e fique a 0,100% de seu valor de equilíbrio?


(2R) A energia armazenada num certo indutor é de 25,0 mJ quando a corrente é de 60,0 mA. a) Calcular a indutância. b) Que corrente é necessária para a energia magnética armazenada ser quatro vezes maior?


(2R) Uma bobina está ligada em série com um resistor de 10,0 kΩ. Quando uma bateria de 50,0 V é ligada ao circuito, a corrente atinge o valor de 2,00 mA após 5,00 ms. a) Determine a indutância da bobina. b) Que quantidade de energia está armazenada na bobina neste momento?


(2R) a) Qual é a densidade de energia do campo magnético da Terra cujo módulo vale 50 μT? b) Supondo que tal campo seja relativamente constante ao longo de uma distância pequena, quando comparada com o raio da Terra e desprezando as variações próximas dos pólos magnéticos, quanta energia seria armazenada entre a superfície da Terra e uma casca esférica 16 km acima da superfície?


CCAAPPÍÍTTUULLOO XXII:: Indutância ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ MATERIAL DE APOIO DE FÍSICA III – ELETROMAGNETISMO ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 37

M 0μ=

10. Lista Complementar 11: 47E) pág. 251 – Halliday, 4a ed. (2R) Duas bobinas estão em posições fixas. Quando na bobina 1 não há corrente e na bobina 2 existe uma corrente que cresce numa taxa constante de 15,0 A/s, a fem na bobina 1 vale 25,0 mV. a) Qual é a indutância mútua destas bobinas? b) Quando não há corrente na bobina 2 e a bobina 1 é percorrida por uma corrente de 3,60 A, qual é o fluxo através da bobina 2?


• • • • • • • • • × × × × × × × × ×

S

R

C

Fig. 1

(2R) Uma bobina C, com N espiras, é colocada em volta de um solenóide longo S, de raio R e n espiras por unidade de comprimento, como mostra a Fig. 1. Mostre que o coeficiente de indutância mútua para a combinação bobina-solenóide é dado por

nNR 2π . Explique por que M não depende da forma, do tamanho ou da possível falta de um enrolamento compacto da bobina.


G

À

S

ε- +

Bobinas

Fig. 2

2 1

(1R) O circuito 1 da Fig. 2 consiste em um amperímetro em série com uma bateria e uma bobina 1. O circuito 2 consiste na bobina 2 e um galvanômetro balístico de resistência R; o galvanômetro pode medir a carga que se move através dele. Quando a chave S está fechada, a leitura de corrente de equilíbrio no amperímetro é if. A carga total que passa através do galvanômetro durante o tempo que a corrente no circuito 2 atinge o equilíbrio é Q. Determine a indutância mútua M entre as bobinas 1 e 2.


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