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FÍSICA CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS Antonio Sérgio Martins de Castro Compreender as relações entre eletricidade e magnetismo, realizando conexões com situações do cotidiano, reconhecendo a importância dessas áreas para o desenvolvimento científi co, tecnológico e humano. CIRCUITOS ELÉTRICOS / ELETROMAGNETISMO Capítulo 1 Medidas elétricas e circuitos elétricos 2 Capítulo 2 Campo magnético 24 Capítulo 3 Força e indução magnética 47 Capítulo 4 Ondas eletromagnéticas 74 V a d im P e tr a k o v /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 1 8/7/18 9:07 AM ► Reconhecer as funcionalidades dos medidores elétricos nas diversas situações de utilização em circuitos elétricos. ► Identifi car a correta associação dos medidores aos circuitos, sem que afetem seu funcionamento. ► Compreender as distribuições de corrente em circuitos elétricos com mais de uma malha. ► Utilizar as leis de Kirchhoff no dimensionamento das correntes elétricas em vários ramos de circuitos. Principais conceitos que você vai aprender: ► Amperímetro ► Voltímetro ► Multímetro ► Galvanômetro ► Ponte de Wheatstone ► Malhas de circuito ► Leis de Kirchhoff ► No infográfi co do capítulo, apresentamos um circuito elétrico e discutimos conceitos como corrente alternada, corrente contínua e supercondutores. 2 OBJETIVOS DO CAPÍTULO leungchopan /S h u tte rsto ck 1 MEDIDAS ELÉTRICAS E CIRCUITOS ELÉTRICOS No nosso cotidiano, frequentamos diversos lugares rodeados de circuitos elétricos, desde as instalações elétricas de nossas residências até os mais sofi sticados tipos de cir- cuito presentes em computadores, TVs e smartphones. O planejamento é fundamental para que uma instalação elétrica residencial possa ser construída, de maneira que permita a utilização de vários dispositivos simultaneamente. Além disso, também é necessário fazer um levantamento dos números, das especifi cida- des de cada equipamento e defi nir em que condições pretende utilizá-los na rede. Um fato comum em residências são os problemas de sobrecarga da rede. Isso ocor- re por vários motivos e, nem sempre, por causa da falta de planejamento durante a sua construção. Com o crescente aumento no uso de equipamentos elétricos, em função das novidades e da modernização em diversos setores, as redes, dimensionadas para um cenário de dez a vinte anos atrás, não comportam essa “avalanche” de equipamentos. A acessibilidade aos aparelhos de ar-condicionado, por exemplo, indispensáveis atualmen- te nas regiões mais quentes, aumentou bastante, e, na maioria das vezes, uma atualização da rede elétrica é necessária para sua instalação e seu funcionamento com segurança. • Situações provocadas por sobrecarga são possíveis de serem evitadas e, com o auxílio de medidores elétricos, pode-se verifi car onde o risco de falha é maior. Você já perce- beu alguma oscilação na luminosidade de lâmpadas em sua casa, quando um chuvei- ro ou um forno de micro-ondas é ligado? Já ocorreu o desligamento de um disjuntor, pela sobrecarga, quando algum equipamento novo foi ligado à mesma rede? Neste capítulo, vamos conhecer melhor alguns desses medidores e, também, situa- ções específi cas de alguns tipos de circuitos. Professor, neste momento, aprovei- te para trabalhar com a habilidade 5 da matriz curricular do Enem, que consiste em: “Dimensionar circui- tos ou dispositivos elétricos de uso cotidiano.” Situações como a do texto não são raras. Dessa maneira, faz-se necessário mostrar aos alunos a importância de investigar esse fato comum, de forma que eles os associem a alguma situação já vivenciada de sobrecarga elétrica e outros temas de estudo deste capítulo. N a ru F o to /S h u tt e rs to ck Professor, neste caderno você encontra mais de 240 atividades. Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 2 8/7/18 9:07 AM 3 FÍ S IC A Medidores Considera-se um medidor ideal aquele que não interfere na grandeza medida. Em termos práticos, o medidor ideal não existe, mas os aparelhos de medida podem ser considerados ideais quando a sua interferência nas medições está dentro de um limite aceitável. Vejamos, então, os dois instrumentos de medidas elétricas – o amperímetro e o voltímetro –, considerando-os como medidores ideais. Amperímetro Para que um amperímetro consiga medir a corrente elétrica que atravessa determinado componente elétrico, ele deve ser ligado em série com esse componente, como mostra a fi gura. ε R 2 R 1 r i A Por sua vez, um amperímetro no circuito pode alterar o valor da corrente que se dese- ja medir. Para evitar esse problema, como ele é ligado em série no circuito, deve ter uma resistência interna baixa, de forma que se comporte praticamente como um fi o condutor. De maneira prática, a resistência do amperímetro é tão pequena que pode ser despre- zada e ele considerado um amperímetro ideal. Voltímetro Para que um voltímetro consiga medir a diferença de potencial nos terminais de um com- ponente elétrico, ele deve ser ligado em paralelo com esse componente, como mostra a fi gura. r R 1 R 2 C D V ε Da mesma forma que o amperímetro, a introdução do voltímetro no circuito interfere no valor da tensão elétrica a ser medida. No caso do voltímetro, como ele é ligado em paralelo no circuito, esse problema é evitado, fazendo com que ele tenha resistência interna alta. Da mesma forma que no amperímetro, é possível imaginar um voltímetro ideal. Nesse caso, ele deve ter resistência interna infi nita. S h iy a n S e rg iy /S h u tt e rs to ck F li p s e r/ S h u tt e rs to c k Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 3 8/7/18 9:07 AM 4 CAPÍTULO 1 Medidores reais Na prática, tanto o amperímetro como o voltímetro têm uma resistência interna fi ni- ta (r A ou r V ), que deverá ser considerada na resolução de um circuito elétrico. No circuito elétrico representado na fi gura, um resistor R é ligado a um gerador de força eletromotriz ε e resistência interna r, e os aparelhos de medidas, amperímetro e voltímetro, são reais. r r V i R i R V A i V r A ε Como as resistências R e r V estão associadas em paralelo e esse conjunto está em série com r e r A , a resistência equivalente do circuito é: R eq. = r + r A + V V R r⋅R rVR r R r+R rVR r O amperímetro mede a corrente elétrica i eq. i R ε = maior que a corrente i R que atra- vessa a resistência R, pois i = i R + i V . O voltímetro mede a ddp, nos extremos do resistor R, dada por: U = R ⋅ i R . Multímetro Existe um aparelho com o qual podem ser realizadas medidas elétricas de tensão e corrente elétrica em várias escalas. Esse aparelho é denominado multímetro. Com um multímetro podemos, por exemplo, medir a intensidade da corrente elétrica numa escala de 0 a 1 A e em outra escala de 0 a 10 A. Para isso, no interior do aparelho, existem alguns resistores que são conectados em série ou em paralelo com o medidor, de modo que seja possível efetuar as leituras nas diversas escalas. Ponte de Wheatstone Um circuito muito usado na prática para medir resistências elétricas é a ponte de Wheatstone. Muitos sensores de temperatura utilizam esse arranjo, visto que a tempera- tura apresenta uma correlação com a resistência elétrica. Basicamente, a ponte de Wheatstone é um circuito composto por quatro resistências elé- tricas, R 1 , R 2 , R 3 e R 4 , sendo uma delas desconhecida, e um galvanômetro, que é um amperímetro capaz de medir correntes elétricas muito baixas. A ideia é ajustar os valores das resistências até que a corrente elétrica medida pelo galvanômetro seja nula (i G = 0), como mostra a fi gura. R 1 A B R 3 R 4 R 2 i 2 i 1 i 1 i G = 0 i 2 G D C m a n ia -r o o m /S h u tt e rs to c k Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 4 8/7/18 9:08 AM 5 FÍ SI CA Desenvolva H7 Selecionar testes de controle, parâmetros ou critérios para a comparaçãode materiais e produtos, tendo em vista a defesa do consumidor, a saúde do trabalhador ou a qualidade de vida. Projeto elétrico simplificado – instalação elétrica residencial Em geral, quando se encerra a construção de uma residência de médio ou grande porte, solicita-se à companhia de ener- gia a ligação da energia elétrica, normalmente, nas duas tensões 110 V e 220 V. Como padrão, costuma-se ligar as lâmpadas e os eletrodomésticos na tensão 110 V, e na tensão 220 V os aparelhos que consomem mais energia elétrica, como chuveiros, máquinas de lavar roupas, secadoras e condicionadores de ar. A entrada da residência com ligação 110 V e 220 V apresenta dois fi os com fase e um neutro. Fio 1: – 110 V Fio 2: Neutro Fio 3: + 110 V Para cada tomada ou aparelho, devem ser levados dois fi os: fi os 1 e 2 ou fi os 2 e 3 para 110 V. Já os fi os 1 e 3 são levados para 220 V. Muitos aparelhos, como o computador, apresentam tomadas de três pinos. Nesse caso, são ligados dois fi os da rede elétrica aci- ma mais um fi o terra, sendo este um fi o que deve estar conectado com o solo para que ele faça a neutralização das cargas elétricas em excesso no aparelho. Para uma simples comparação, vamos to- mar como exemplo a utilização de dois chu- veiros elétricos: Chuveiro 1: dados nominais (110 V – 4 400 W) Chuveiro 2: dados nominais (220 V – 4 400 W) Ao avaliarmos o consumo de energia dos dois chuveiros, funcionando dentro das suas especificidades, ambos consomem a mesma energia elétrica para o mesmo tem- po de utilização. 1. Diante da informação acima, podemos dizer que, se todas as ligações da residência forem feitas na tensão 220 V, haverá economia de energia? 2. Usando a equação da potência elétrica (P = i ⋅ U) para os dois chuveiros, encontre as intensidades de corrente elétrica para cada um deles. Nesse caso, dizemos que a ponte está equilibrada e temos U CD = 0. Com isso, as tensões elétricas em cada resistência são dadas por: U AC = R 1 ⋅ i 1 ; U AD = R 3 ⋅ i 2 ; U CB = R 2 ⋅ i 1 ; U DB = R 4 ⋅ i 2 Sendo U CD = 0, temos: U AC = U AD e U CB = U DB Então: R 1 ⋅ i 1 = R 3 ⋅ i 2 R 2 ⋅ i 1 = R 4 ⋅ i 2 que resulta em: R 1 ⋅ R 4 = R 2 ⋅ R 3 Professor, confi ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. F ra n c e s c o m o u fo to g ra fo /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 5 8/7/18 9:08 AM Circuitos P ara que a eletricidade circule e esteja disponível nas tomadas e lâmpadas de nossas casas ou, quando solicitada, nos dispositivos alimentados por baterias, ela é estruturada como um circuito, sem cortes nem descontinuidades. A corrente elétrica, estabelecida por um gerador, percorre um caminho de ida e volta. Durante o trajeto, essa corrente alimenta os aparelhos elétricos e se depara com diversos dispositivos capazes de modificar suas características. É o limite a partir do qual se considera que um circuito é de alta tensão. Algumas linhas elétricas, entretanto, transportam eletricidade com tensões superiores a 350 000 volts. O gerador Produz a eletricidade a partir de diversas fontes (reações químicas, combustíveis fósseis, força da água ou do vento, energia solar). Nos circuitos domésticos, o papel do gerador é representado pelas tomadas, que oferecem a eletricidade produzida nas grandes centrais. O artefato elétrico É alimentado com a corrente elétrica que circula pelo circuito. Pilhas e baterias São dispositivos que geram eletricidade a partir de reações químicas. Em um dos terminais são gerados elétrons em excesso (–); no outro é produzida uma reação que gera carência de elétrons (+) gerando, assim, a corrente elétrica. Resistência Qualquer condutor, por eficiente que seja, gera certa resistência com a passagem da corrente elétrica. A eletricidade “perdida”, na realidade se transforma em calor e luz, como o filamento das lâmpadas. Esse é o princípio do funcionamento de numerosos aparelhos elétricos, como aquecedores e lâmpadas. O interruptor É um dispositivo que permite interromper o fluxo de corrente elétrica de um circuito. A corrente circula A corrente é interrompida Sentido da corrente Sentido da corrente Os polos A corrente elétrica circula por convenção a partir do polo positivo para o negativo. Já o movimento real dos elétrons, ocorre do negativo para o positivo. Os condutores O circuito se mantém ativo enquanto estiver conectado por materiais condutores. 1 000 volts Ida e volta Os circuitos elétricos podem ser mais ou menos complexos. Entretanto, todos devem respeitar algumas condições básicas. Entre elas, que exista uma fonte de geração elétrica e polos positivos e negativos unidos por condutores. Tira de zinco Corrente de elétrons Tira de cobre Ponte salina Ponte salina Zn2+ Cu2+ Zn2+ e– e- Cu2+ KCl K+Cl–– + + - INFO + ENEM 6 CAPÍTULO 1 Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 6 8/7/18 9:08 AM Corrente contínua Os elétrons viajam em apenas um sentido e em uma única direção. É habitual em dispositivos elétricos alimentados por baterias que trabalham com voltagem baixa. Corrente alternada Os elétrons não apenas mudam constantemente a direção, mas também mudam de sentido uma e outra vez por inversão dos polos. É o tipo de corrente habitualmente utilizado nos lares e apresenta numerosas vantagens em relação à contínua. Entre elas, permite ampliar ou diminuir sua voltagem mediante o uso de transformadores, ser transportada a grandes distâncias com pouca perda e transmitir vozes, sons e outros dados. Ampère É utilizado para medir a intensidade da corrente elétrica, ou seja, a quantidade de elétrons que circulam por segundo. Volt É utilizado para medir o potencial elétrico, a força eletromotriz derivada da diferença de potencial entre os polos negativo e positivo de um circuito. Watt É a potência que se gera a partir de uma diferença de potencial de um volt e uma corrente elétrica de 1 ampère. Potencial elétrico Um polo no qual sobram elétrons comparado com outro no qual faltam elétrons indica uma diferença de potencial elétrico. Quanto maior for essa diferença de potencial, maior será a capacidade de gerar corrente elétrica. O potencial elétrico é medido em volts. O voltímetro é uma ferramenta muito comum que se utiliza para medir a diferença de potencial elétrico em um circuito. Supercondutores Devido à resistência elétrica, o transporte de energia elétrica a grandes distâncias gera perdas de enorme importância. Entretanto, alguns materiais levados a um frio próximo ao zero absoluto (-273,15 ºC) mostram propriedades de supercondutividade, ou seja, quase não geram resistência nem perdas. Devido à resistência dos materiais, ao transportar eletricidade ao longo de grandes distâncias, sempre se geram perdas. Alternada ou contínua? A corrente elétrica circula por um condutor de duas formas diferentes: como corrente alternada ou como corrente contínua. Unidades elétricas Existem numerosos parâmetros para medir a eletricidade. Os seguintes são alguns dos mais habituais. Símbolos elétricos Nos esquemas de circuitos elétricos são utilizados determinados símbolos para indicar os distintos componentes. Nikola Tesla Nascido em 1856, no que era então o Império Austro-Húngaro, o célebre inventor, físico e matemático é recordado por sua máxima contribuição: a corrente alternada, que conseguiu destronar o sistema de corrente contínua comercializada e impulsionada por Thomas Alva Edison, de quem era inimigo declarado. As contribuições de Tesla permitiram geração, transporte e utilização de energia elétrica em grande escala e por meio de grandes distâncias. Inclusive conseguiu transmitir ondas eletromagnéticas sem fios antes de Guglielmo Marconi, um dos inventores mais reconhecidos. Morreu em 1943. Fio condutor Resistência elétrica Pilha elétrica Associação de pilhasou acumuladores Gerador elétrico Motor elétrico Lâmpada de incandescência Interruptor Aparelhos de medida G M A V t Vo + 0 1 -1 próximo ao zero absoluto (-273,15 ºC) mostram propriedades de supercondutividade, ou seja, quase não materiais, ao transportar eletricidade ao longo de grandes distâncias, sempre se geram perdas. 7 Acesse a questão Info + Enem e mais conteúdos do exame utilizando seu celular. Saiba mais em <www.plurall.net>. © S o l 9 0 I m a g e s Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 7 8/7/18 9:08 AM 8 CAPÍTULO 1 Atividades 3. (UFRGS-RS) Uma fonte de tensão cuja força eletromotriz é de 15 V tem resistência interna de 5 Ω. A fonte está ligada em série com uma lâmpada incandescente e com um resistor. Medidas são realizadas e constata-se que a corrente elétrica que atravessa o resistor é de 0,20 A, e que a diferença de potencial na lâmpada é de 4 V. Nessa circunstância, as resistências elétricas da lâmpada e do resistor valem, respectivamente: a) 0,8 Ω e 50 Ω b) 20 Ω e 50 Ω c) 0,8 Ω e 55 Ω d) 20 Ω e 55 Ω e) 20 Ω e 70 Ω Calculando a resistência da lâmpada, temos: R L = U i s R L = 4 0,2 s R L = 20 Ω Para os 11 V restantes, temos a tensão no resistor interno da fonte e no resistor. Calculando a tensão no resistor interno, temos: U i = r ⋅ i s U i = 5 ⋅ 0,2 s U i = 1 V Dessa forma, para o resistor, teremos uma tensão de U R = 10 V. Assim, temos para o resistor R: R = U i R s R = 10 0,2 s R = 50 Ω Alternativa b 4. +Enem [H21] Um amperímetro tem resistência interna R A = 12 Ω e corrente de fundo de escala (corrente máxima) de 2 A. Pretende-se utilizar esse amperímetro para medir correntes elétricas que podem atingir até 50 A. Para isso, ele é ligado em paralelo com uma resistência R S , chamada de resistência shunt, como mostra o esquema, de forma que a corrente total seja dividida. i = 50 A R S A Estime o valor da resistência R S para que se possam medir correntes de até 50 A. a) 0,5 Ω b) 0,2 Ω c) 0,7 Ω d) 1,9 Ω e) 2,7 Ω Como os componentes estão ligados em paralelo, as tensões elétricas no amperímetro e na resistência R S são iguais: U R = U A s R S ⋅ i S = R A ⋅ i A s R S = R A ⋅ i i A S (I) A corrente total i = 50 A se divide entre o amperímetro e a resistência shunt. i S + i A = 50 s i S + 2 = 50 s i S = 48 A Substituindo na equação (I), temos: R S = 12 ⋅ 2 48 s R S = 0,5 Ω Alternativa a 1. Para realizar medidas adequadas, o amperímetro e o voltímetro devem ser ligados num trecho do circuito, respectivamente: a) em série e em série. b) em paralelo e em paralelo. c) em série e em paralelo. d) em paralelo e em série. e) ambos em série ou ambos em paralelo. De acordo com os estudos dos medidores reais, o ampe- rímetro deve ser ligado sempre em série com o ramo do circuito do qual se deseja medir a corrente elétrica. Já o voltímetro deve ser ligado sempre em paralelo com o tre- cho do circuito do qual se deseja obter a tensão elétrica. Alternativa c 2. A fi gura a seguir apresenta um circuito com um resistor R de 12 Ω ligado a um gerador de 60 V. Considere que o gerador, o amperímetro e o voltímetro são ideais. A 60 V 12 Ω V Quais serão as indicações do amperímetro e do voltímetro? A intensidade de corrente elétrica no resistor é: i = r ε = 60 12 s i = 5,0 A Portanto, a indicação do amperímetro é 5,0 A. A indicação do voltímetro é: U = R ⋅ i = 12 ⋅ 5,0 s U = 60 V Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 8 8/7/18 9:08 AM 9 FÍ S IC A 5. Um resistor de resistência 9 Ω é ligado nos terminais de uma bateria de 18 V. Desprezando a resistência interna da bateria, determine: a) a intensidade da corrente elétrica no resistor; A corrente elétrica no resistor é: i = r ε = 18 9 s i = 2,0 A b) a indicação de um amperímetro de resistência interna igual a 1 Ω associado em série com o resistor; A indicação do amperímetro é: i A = R r ε + = 18 9 1+ s i A = 1,8 A c) o erro, em porcentagem, da medida feita com o am- perímetro. A indicação do amperímetro (1,8 A) é 90% da corrente no resis- tor (2,0 A). Assim, o erro da medida com o amperímetro é 10%. 6. (UFJF-MG) Durante uma aula prática de Física, o professor pediu que os alunos medissem a corrente elétrica total que atravessa o circuito mostrado na fi gura abaixo, em duas situações distintas: A. com a chave S aberta; B. com a chave S fechada. Desprezando-se a resistência interna da bateria e sa- bendo-se que R 1 = 8,0 Ω, R 2 = 2,0 Ω e V = 32,0 V, calcule o valor da corrente elétrica total que atravessa o circuito com a chave S aberta e com a chave S fe- chada, respectivamente: a) 16 A e 4,0 A b) 3,2 A e 4,0 A c) 4,0 A e 51,2 A d) 3,2 A e 20,0 A e) 4,0 A e 20,0 A Para a chave aberta, temos apenas o resistor R 1 funcionando. Assim: U = R 1 ⋅ i 1 s 32 = 8 ⋅ i 1 s i 1 = 4 A Para a chave fechada, temos os resistores R 1 e R 2 associados em paralelo. Assim: U = 1 2 1 2 R R R R ⋅ + ⋅ i 2 s 32 = 8 2 10 ⋅ ⋅ i 2 s i 2 = 20 A Alternativa e 7. (Udesc) Considere os seguintes dispositivos elétricos: 1 voltímetro V 1 amperímetro A 10 resistores de 10 Ω cada um R 1 bateria ideal de 10 V Usando esses dispositivos, desenhe um circuito elétrico, o mais simples possível, no qual as leituras do voltímetro e do amperímetro sejam: a) 10 V e 1 A; Para o voltímetro indicar 10 V, ele deve ser ligado em paralelo com a bateria de 10 V e, para o amperímetro indicar 1 A, ele deve ser associado em série com um único resistor de 10 Ω: V A 1 A 10 V 10 Ω b) 10 V e 2 A; Para o voltímetro indicar 10 V, ele deve ser ligado em paralelo com a bateria de 10 V e, para o amperímetro indicar 2 A, ele deve ser associado em série com dois resistores, de 10 Ω, associados em paralelo: V A 2 A 10 V 10 Ω 10 Ω c) 5 V e 0,5 A. Para o amperímetro indicar 0,5 A, ele deve ser associado em série com dois resistores de 10 Ω que, também, se encontram associados em série. Já para o voltímetro indicar 5 V, ele deve ser associado em paralelo com um dos resistores de 10 Ω, como mostra a fi gura: A 0,5 A 10 V 5 V 10 Ω10 Ω V R e p ro d u ç ã o / U FJ F- M G , 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 9 8/7/18 9:08 AM 10 CAPÍTULO 1 11. (UPM-SP) A ponte de fi o mostrada acima é constituída por uma bateria, um galvanômetro G, dois resistores, um de resistência elétrica R 1 = 10,0 Ω e outro de resistência elétrica R 2 = 40,0 Ω um fi o condutor homogêneo de re- sistividade r, área de secção transversal A e comprimento L = 100,0 cm e um cursor C que desliza sobre o fi o con- dutor. Quando o cursor é colocado de modo a dividir o fi o condutor em dois trechos de comprimentos L 1 e L 2 a corrente elétrica no galvanômetro é nula. Os comprimentos L 1 e L 2 valem, respectivamente: a) 50,0 cm e 50,0 cm b) 60,0 cm e 40,0 cm c) 40,0 cm e 60,0 cm d) 80,0 cm e 20,0 cm e) 20,0 cm e 80,0 cm 12. (Fuvest-SP) Considere o circuito da fi gura, em que ε = 10 V e R = 1 000 Ω. V A 2R R 2RR R 2 ε a) Qual a leitura do amperímetro A? b) Qual a leitura do voltímetro V? 9. (Vunesp) Três lâmpadas idênticas (L 1 , L 2 e L 3 ), de resistências elétricas constantes e valores nominais de tensão e potên- cia iguais a 12 V e 6 W, compõem um circuito conectado a uma bateria de 12 V. Devido à forma como foram ligadas, as lâmpadas L 2 e L 3 não brilham com a potência para a qual foram projetadas. Considerando desprezíveis as resistências elétricas das co- nexões e dos fi os de ligação utilizados nessa montagem, calcule a resistência equivalente, em ohms, do circuito formado pelas três lâmpadas e a potência dissipada, em watts, pela lâmpada L 2 . 10. (UFRJ) Deseja-se determinar as características de uma bateria usando-se duas resistências de 5,0 Ω, um amperímetro e conexões (fi os e uma chave) de resistências desprezíveis.A fi gura mostra um circuito com a bateria ligada de tal for- ma que o amperímetro indica uma corrente de 1,2 A com a chave aberta e uma corrente de 2,0 A com a chave fechada. Elemento S’mbolo Fios de resistência desprezível Bateria Amperímetro A Chave Resistor a) Usando os símbolos indicados na tabela, faça um es- quema desse circuito. b) Calcule a fem (força eletromotriz) e a resistência inter- na da bateria. Complementares Tarefa proposta 1 a 12 8. (IFPE) O circuito elétrico representado no diagrama abaixo contém um gerador ideal de 21 Volts com resistência in- terna desprezível alimentando cinco resistores. Qual o valor da medida da intensidade da corrente elétri- ca, expressa em amperes, que percorre o amperímetro A conectado ao circuito elétrico representado? a) 0,5 A b) 1,0 A c) 1,5 A d) 2,0 A e) 2,5 A Calculando a resistência equivalente do circuito, temos: R eq. = 3 + 1 + 1 + 6 3 6 3 ⋅ + = 7 Ω Calculando a corrente total do circuito, temos: E = R eq. ⋅ 1 s 21 = 7 ⋅ i s i = 3 A A tensão na associação em paralelo é dada por: U = R p ⋅ i = 2 ⋅ 3 = 6 V Assim, a corrente no resistor de 6 Ω, que é a mesma medida no amperímetro, é: U p = R ⋅ i A s 6 = 6 ⋅ i A s i A = 1 A Alternativa b R e p ro d u ç ã o / I F P E , 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / U P M -S P. Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 10 8/7/18 9:08 AM 11 FÍ S IC A Leis de Kirchhoff Para circuitos elétricos complexos, chamados de circuitos de malhas múltiplas, usa- mos métodos mais sofi sticados de análise, entre eles as leis de Kirchhoff. Para descrevermos as leis de Kirchhoff, precisamos definir alguns conceitos e nomenclaturas, tais como malha, ramo e nó. Considere, por exemplo, o circuito ilustrado. Ramo CEFD Ramo CD Ramo CABD E C C C A F D D B C C D A D E F B Nó Nó D Identificamos dois nós (C e D). Identificamos três ramos (CEFD, CD e CABD). Nesse circuito, temos três malhas: ABDFECA, ABDCA e CDFEC. Malha ABDFECA Malha ABDCA Malha CDFEC C A D E F B C A D B E C F D Primeira lei de Kirchhoff A primeira lei de Kirchhoff, também chamada lei dos nós, baseia-se no princípio da conservação das cargas elétricas. Essa lei afi rma que a soma das correntes elétricas que “chegam” a um nó é igual à soma das correntes elétricas que “partem” desse nó. Σi chegam = Σi partem i 1 i 3 i 2 N— i 1 + i 2 = i 3 N ic k u /S h u tt e rs to c k Gustav Robert Kirchhoff (1824- -1887), físico alemão cujos trabalhos em eletricidade e termodinâmica foram fundamentais para o desenvolvimento da ciência e da tecnologia. Defi nição Malha : sucessão de ramos formando um circuito fechado. Ramo : trecho de circuito compreendido entre dois nós consecutivos. N— : ponto de bifurcação ou entroncamento do circuito no qual a corrente elétrica se divide ou se junta com outras correntes. Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 11 8/7/18 9:08 AM 12 CAPÍTULO 1 Segunda lei de Kirchhoff Conhecida como lei das malhas, a segunda lei de Kirchhoff é uma consequência do princípio da conservação da energia. A soma das quedas e ganhos de tensão ao longo de uma malha completa deve ser nula. Ou seja, se iniciarmos de um ponto do circuito e per- corrermos uma malha completa até retornarmos a esse mesmo ponto, o saldo de ganhos e perdas de tensão em todos os componentes dessa malha deve ser nulo. Por exemplo, considere a malha ABCDEFA mostrada a seguir. A B C DEF ΣU malha = 0 U AB + U BC + U CD + U DE + U EF + U FA = 0 O sinal das diferenças de potencial na equação depende do sentido escolhido para percorrer a malha (que pode ou não coincidir com o sentido da corrente) e do tipo de elemento que estamos considerando. Quando atravessamos uma força eletromotriz/con- traeletromotriz de um gerador/receptor, adotamos U = +ε se o percurso é percorrido do polo positivo (+) para o negativo (–) e U = –ε se o percurso é percorrido do polo negativo (–) para o positivo (+), como mostra a fi gura. Percurso ε U = +ε Percurso ε U = −ε Já para as resistências elétricas, adotamos U = +R ⋅ i se o percurso coincide com o sen- tido da corrente elétrica e U = –R ⋅ i se o percurso está no sentido oposto ao da corrente elétrica, como mostra a fi gura. R i Percurso U = +R · i R i Percurso U = –R · i Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 12 8/7/18 9:08 AM 13 FÍ SI CA Decifrando o enunciado Lendo o enunciado Para melhor visualizar o circuito e suas ramifi cações é importante redesenhar. Identifi que após redesenhar o circuito como está associado o voltímetro, se está em paralelo ao elemento ou ao trecho do circuito que se quer medir a tensão. Antes de iniciar seus cálculos, verifi que os sentidos das correntes elétricas e identifi que as malhas. (EsPCEx-SP) O desenho abaixo representa um circuito elétrico composto por gerador, receptor, condu- tores, um voltímetro (V), todos ideais, e resistores ôhmicos. O valor da diferença de potencial (ddp), entre os pontos F e G do circuito, medida pelo voltímetro, é igual a: a) 1,0 V b) 3,0 V c) 4,0 V d) 5,0 V e) 8,0 V Resolução Resposta: D Redesenhando o circuito, temos: Para cada ramo do circuito, temos a mesma ddp U. Assim, temos: U = 8 – 2 ⋅ i 1 s i 1 = U8 – 2 (1) U = 4 – 4 ⋅ i 2 s i 2 = U4 – 4 (2) U = 4 ⋅ (i 1 + i 2 ) (3) Substituindo (1) e (2) em (3), temos: U = 4 ⋅ U U8 – 2 4 – 4 + s U = 5 V Interação Usualmente, o equacionamento de um circuito de múltiplas malhas pelas leis de Kirchhoff resulta em um sistema linear de equações contendo várias incógnitas. Neste ponto, deve-se recorrer às técnicas da matemática para resolver o sistema e obter as incógnitas desejadas, tais como o escalonamento e a regra de Cramer. R e p ro d u ç ã o / E s P C E x- S P, 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 13 8/7/18 9:08 AM 14 CAPÍTULO 1 Conexões Calibração de amperímetros de corrente contínua entre 1 nA e 10 µA O Laboratório de Tensão e Corrente Elétrica do Inmetro (Latce) é responsável pela realização, reprodução, manutenção e disseminação do volt e do ampère no Brasil, por meio da calibração de medidores e geradores de alta exatidão de laboratórios de institutos de pesquisa, universidades, grandes empresas do setor de geração de energia elétrica e de laboratórios de me- trologia credenciados à Rede Brasileira de Calibração (RBC). […] R P R A V P A I I = P P A VPV R RP AR RP AR R+R RP AR R+P A+R R O sistema proposto tem como base a utilização de um gerador-padrão de tensão contínua (V P ), aplicando uma amplitude previamente conhecida a um circuito em série formado por um resistor-padrão (R P ) e o medidor de corrente o qual se deseja calibrar, conforme esquema defi nido na fi gura, em que A representa o amperímetro e R A a resistência interna do amperímetro. Observando-se o esquema, verica-se que a corrente que circula no circuito depende não somente da tensão aplicada (V P ) e do valor do resistor-padrão (R P ), como também da resistência interna do amperímetro R A . VENTURA, R. et al. Disponível em: <http://repositorios.inmetro.gov.br>. Acesso em: 9 nov. 2014. Com base no texto, avalie a infl uência da resistência interna R A do amperímetro na medida da corrente i fornecida pela fonte. A infl uência seria maior ou menor caso o amperímetro fosse ideal? Professor, confi ra no manual as respostas às ques- tões e mais informações sobre o tema de estudo. Atividades 13. +Enem [H21] A fi gura mostra o trecho de um circuito elétrico que tem um nó. 3 A 5 A 12 A i Nesse ponto, há correntes elétricas chegando e saindo. Com base nas leis de Kirchhoff, calcule a intensidade da corrente elétrica i. a) 4 A b) 6 A c) 7 A d) 8 A e) 9 A Pela lei dos nós, temos: Σi chegam = Σi partem s i + 5 + 3 = 12 s i = 4 A Alternativa a 14. (Vunesp)Três resistores, R P = 10 Ω, R Q = 20 Ω e R S = 20 Ω, estão associados conforme mostra a fi gura. A R S B R P iP iQ iS R Q C Sabendo-se que i P = 1 A e i Q = 0,5 A, determine a ddp entre A e C e entre B e C. De acordo com a lei dos nós, temos: i S = 0,5 A. Assim, a ddp entre os pontos A e C vale: U AC = R S ⋅ i S s U AC = 20 ⋅ 0,5 s U AC = 10 V E a ddp entre os pontos B e C vale: U BC = –R Q ⋅ i Q + R S ⋅ i S s U BC = –20 ⋅ 0,5 + 20 ⋅ 0,5 s U BC = 0 V 15. O esquema mostra um trecho de um circuito elétrico. A 5 A 8 A 4 Ω 5 Ω 8 Ω B i Com base nas leis de Kirchhoff, calcule a intensidade da corrente elétrica i e a diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B. Considerando a primeira lei de Kirchhoff, temos: Σi chegam = Σi partem s 8 = i + 5 s i = 3 A U AB = ΣU = –4 ⋅ 3 + 5 ⋅ 5 s U AB = 13 V Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 14 8/7/18 9:08 AM 15 FÍ S IC A 16. (Enem) Para ligar ou desligar uma mesma lâmpada a partir de dois interruptores, conectam-se os interruptores para que a mudança de posição de um deles faça ligar ou desligar a lâm- pada, não importando qual a posição do outro. Esta ligação é conhecida como interruptores paralelos. Este interruptor é uma chave de duas posições constituída por um polo e dois terminais, conforme mostrado nas fi guras de um mesmo interruptor. Na posição I a chave conecta o polo ao terminal superior, e na posição II a chave o conecta ao terminal inferior. Posição I Posição II O circuito que cumpre a fi nalidade de funcionamento descrita no texto é: a) b) c) d) e) Deve-se escolher um circuito no qual, quando a lâmpada está apagada (circuito aberto), a mudança de posição de qualquer uma das chaves fecha o circuito e acende a lâmpada. Da mes- ma forma, quando a lâmpada está acesa (circuito fechado), a mudança de posição de qualquer uma das chaves abre o circuito e apaga a lâmpada. Para isso, os interruptores preci- sam estar em ligação paralela, ou seja, quando seus terminais estão ligados um ao outro em paralelo, o que se verifi ca no arranjo da alternativa e. Alternativa e 17. Três pilhas idênticas de força eletromotriz ε = 1,5 V e resis- tência interna r = 0,2 Ω são ligadas num circuito, conforme mostra a fi gura. rε ε ε r r Observando o circuito, calcule a intensidade da corrente elétrica que o atravessa. Adotando a corrente elétrica no sentido horário: ΣU = 0 s –1,5 + 0,2 ⋅ i + 0,2 ⋅ i + 1,5 – 1,5 + 0,2 ⋅ i = 0 s s 0,6 ⋅ i = 1,5 s i = 2,5 A 18. (EsPCEx-SP) O desenho abaixo representa um circuito elé- trico composto por resistores ôhmicos, um gerador ideal e um receptor ideal. A potência elétrica dissipada no resistor de 4 Ω do circuito é: a) 0,16 W b) 0,20 W c) 0,40 W d) 0,72 W e) 0,80 W Adotando o sentido anti-horário e calculando a corrente do cir- cuito pela lei das malhas, temos: ∑U = 0 s –8 + 3i + 4i + 6 + 3i = 0 10i = 2 s i = 0,2 A Assim, a potência dissipada no resistor de 4 Ω, será de: P d = R ⋅ i2 = 4 ⋅ 0,22 s P d = 0,16 W Alternativa a 19. (Escola Naval-RJ) Analise a fi gura abaixo. Duas pilhas, de resistência interna r 1 = r 2 = 1 3 Ω, e uma lâmpada, de resistência R L = 2 3 Ω, estão conectadas em paralelo como mostra o circuito da figura acima. A fem da pilha 1 é ε 1 = 1,5 V, mas a pilha 2, de fem ε 2 , encontra-se parcialmente descarregada de modo que o amperímetro ideal mede uma corrente nula nessa pilha. Sendo assim, o valor da fem ε 2 , em volts, vale: a) zero b) 0,50 c) 0,75 d) 1,00 e) 1,25 De acordo com o enunciado, a malha da direita está desprovi- da de corrente, então, podemos desconsiderá-la num primei- ro momento. Assim, para a malha da esquerda, a resistência equivalente será dada por: R eq. = r 1 + R L = 1 3 + 2 3 s R eq. = 1 Ω A corrente elétrica nessa malha será de: ε 1 = R eq. ⋅ i s 1,5 = 1 ⋅ i s i = 1,5 A Dessa forma, temos: ε 2 = R L ⋅ i s ε 2 = 2 3 ⋅ 1,5 s ε 2 = 1 V Alternativa d R e p ro d u ç ã o / E s P C E x- S P. R e p ro d u ç ã o / E s c o la N a v a l- R J . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 15 8/7/18 9:08 AM 16 CAPÍTULO 1 20. A fi gura abaixo representa o trecho de um circuito no qual passa uma corrente elétrica i. Os dispositivos ε 1 e ε 2 são geradores e/ou receptores. A B C R 1 i R 2 D E F ε 1 ε 2 a) ε 1 é um gerador ou um receptor? De acordo com o sentido da corrente elétrica, temos: ε 1 é um gerador e ε 2 é um receptor. b) Sabendo-se que nos geradores há um aumento no po- tencial elétrico e nos receptores e que nos resistores há uma diminuição no potencial elétrico, complete o gráfi co seguinte do potencial elétrico (V ) em função da distância x. (Dados: V A = 20 V; R 1 = 10 Ω; R 2 = 20 Ω; ε 1 = 40 V e ε 2 = 20 V; i = 1 A) 60 50 40 30 20 10 B C D E F x V (volt) A Entre A e B, V é constante e igual a 20 V; entre B e C, o po- tencial diminui 10 V; entre C e D, há um ganho de 40 V; entre D e E, perda de 20 V e entre E e F, perda de 20 V. A fi gura ilustra o gráfi co V em função de x. Complementares Tarefa proposta 13 a 32 21. (ITA-SP) No circuito abaixo os medidores de corrente e de tensão elétrica possuem resistência interna. Sabendo-se que a fonte fornece a ddp U, o voltímetro mede 4,0 V o amperímetro mede 1,0 A e que os valores das resistências R 1 , R 2 e R 3 estão indicadas na fi gura, calcule o valor da resistência interna do voltímetro. 22. Analisando o circuito representado a seguir, calcule a dife- rença de potencial elétrico entre os pontos A e B, uma vez que o gerador apresenta resistência elétrica desprezível. 20 V 8 Ω A B 2 Ω 5 Ω 3 Ω 23. (ITA-SP) Considere o circuito elétrico mostrado na figu- ra, formado por quatro resistores de mesma resistência R = 10 Ω e dois geradores ideais cujas respectivas for- ças eletromotrizes são ε 1 = 30 V e ε 2 = 10 V. Pode-se afirmar que as correntes i 1 , i 2 , i 3 e i 4 nos trechos indi- cados na figura, em ampères, são respectivamente de: i 3 i 4 i 1 i 2 ε 1 ε 2 R R R R a) 2, 2 3 , 3 5 e 4 b) 7 3 , 2 3 , 5 3 e 4 c) 4, 4 3 , 3 3 e 2 d) 2, 2 3 , 7 3 e 5 3 e) 2, 2 3 , 4 3 e 4 24. (Escola Naval-RJ) Analise a fi gura abaixo. A fi gura acima mostra um circuito contendo dois geradores idênticos, sendo que cada um deles possui força eletromo- triz de 10 V e resistência interna de 2,0 Ω. A corrente i em ampères, medida pelo amperímetro ideal e a ddp, em volts, medida pelo voltímetro ideal, valem, respectivamente: a) zero e 2,5 b) zero e 5,0 c) 2,5 e zero d) 5,0 e zero e) zero e zero 60 50 40 30 20 10 B C D E F x V (volt) A R e p ro d u ç ã o / I T A -S P, 2 0 1 8 . R e p ro d u ç ã o / E s c o la N a v a l- R J . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 16 8/7/18 9:08 AM 17 FÍ SI CA 1. (UEG-GO) Um circuito simples é composto apenas por uma bateria (B) e uma lâmpada (L). Com esse circuito elétrico, um estudante montou quatro conexões diferentes, com um mes- mo medidor de intensidade de corrente elétrica, conhecido como amperímetro (A). Conexão 1 B A Conexão 3 A Conexão 2 A Conexão 4 A B B B Após as montagens, conforme a fi gura, o estudante apre- sentou versões das conexões realizadas. Em qual dessas versões o amperímetro irá fornecer a leitura real da inten- sidade de corrente no circuito? a) A conexão 1 apresenta uma maneira correta de se ler a corrente elétrica em um circuito; nesse caso, optou- -se por colocar o amperímetro do lado esquerdo da bateria. b) A conexão 2 fornece uma leitura menor que a da co- nexão 1, já que parte da corrente elétrica se dissipou ao percorrer todo o circuito. c) A conexão 3 é melhor que as conexões 1 e 2, pois esse procedimento fez com que somente a leitura da cor- rente elétrica percorrida na lâmpada fosse mensurada. d) A conexão 4 é quase idêntica à conexão 3e, portanto, fornecerá a real leitura da corrente elétrica percorrida na lâmpada e também na pilha. 2. (Enem) Um eletricista analisa o diagrama de uma instala- ção elétrica residencial para planejar medições de tensão e corrente em uma cozinha. Nesse ambiente existem uma geladeira (G), uma tomada (T) e uma lâmpada (L), conforme a fi gura. O eletricista deseja medir a tensão elétrica aplicada à geladeira, a corrente total e a corren- te na lâmpada. Para isso, ele dispõe de um voltímetro (V) e dois amperímetros (A). Para realizar essas medidas, o esquema da ligação desses instrumentos está repre- sentado em: G Fase Neutro T L V Voltímetro A Amperímetro a) G Fase Neutro T L V V A A b) Fase Neutro G T L V A A c) Fase Neutro G T LV AA d) Fase Neutro G T L VA A e) Fase Neutro G T L V A A 3. (FGV-SP) É comum um componente eletrônico apresen- tar a especifi cação 2 W – 4 V e funcionar corretamente mesmo alimentado por uma bateria ideal de fem 12 V. Nessas circunstâncias, esse componente é associado a ou- tro, geralmente um resistor, o que faz com que a associa- ção funcione normalmente. Tal resistor deve ser associado em _______ com o componente, ter uma resistência elé- trica de _______ Ω e dissipar uma potência de _______W. Assinale a alternativa que preenche, correta e respectiva- mente, as lacunas. a) série … 16 ... 4 b) série … 16 ... 2 c) série … 8 ... 2 d) paralelo … 16 ... 4 e) paralelo … 16 ... 2 4. (Unicamp-SP) No circuito a seguir, A é um amperímetro e V é um voltímetro, ambos ideais. A V12 V 4,0 Ω 24 Ω 12 Ω Tarefa proposta Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 17 8/7/18 9:08 AM 18 CAPÍTULO 1 Reproduza o circuito e responda: a) Qual o sentido da corrente em A? (Desenhe uma seta.) b) Qual a polaridade da voltagem em V? (Escreva + e – nos terminais do voltímetro.) c) Qual o valor da resistência equivalente ligada aos ter- minais da bateria? d) Qual o valor da corrente no amperímetro A? e) Qual o valor da voltagem no voltímetro V? 5. (UPF-RS) Em uma aula no laboratório de Física, o profes- sor solicita aos alunos que meçam o valor da resistência elétrica de um resistor utilizando um voltímetro ideal e um amperímetro ideal. Dos esquemas abaixo, que represen- tam arranjos experimentais, qual o mais indicado para a realização dessa medição? a) Esquema A b) Esquema B c) Esquema C d) Esquema D e) Esquema E 6. (PUC-MG) Com base no circuito representado na fi gura, assinale a leitura do voltímetro ideal. V Fonte 60 volts 10 Ω 20 Ω a) 2,0 V b) 20 V c) 30 V d) 40 V 7. (PUC-RJ) Calcule a corrente em ampères medida no am- perímetro (A) do circuito apresentado na fi gura. a) 1,6 b) 3,3 c) 5,0 d) 8,3 e) 20,0 8. (UFTM) No circuito mostrado no diagrama, todos os resis- tores são ôhmicos, o gerador e o amperímetro são ideais e os fi os de ligação têm resistência elétrica desprezível. A intensidade da corrente elétrica indicada pelo amperí- metro, em A, é de: a) 3 b) 4 c) 8 d) 12 e) 15 9. (AFA-SP) No circuito elétrico esquematizado a seguir, a leitura no amperímetro A não se altera quando as chaves C 1 e C 2 são simultaneamente fechadas. C 1 C 2 ε = 1,5 V 50 Ω 100 Ω 300 Ω A R Considerando que a fonte de tensão, o amperímetro e os fi os de ligação são ideais e os resistores ôhmicos, o valor de R é igual a: a) 50 Ω b) 100 Ω c) 150 Ω d) 600 Ω 10. (UFMG) Nesse circuito, existem duas lâmpadas iguais, in- dicadas por L, ligadas a uma pilha ε, a um amperímetro A, a um voltímetro V e a uma chave C inicialmente aberta. Considere os medidores ideais e despreze a resistência in- terna da pilha. V L L ε A C Fechando-se a chave C, as leituras dos medidores irão apresentar, em relação a seus valores iniciais: a) aumento em A e diminuição em V. b) aumento em A e o mesmo valor em V. c) diminuição em A e aumento em V. d) o mesmo valor em A e aumento em V. e) os mesmos valores nos dois medidores. R e p ro d u ç ã o / U P F- R S , 2 0 1 5 . R e p ro d u ç ã o / P U C -R J , 2 0 1 2 . R e p ro d u ç ã o / U F T M , 2 0 11 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 18 8/7/18 9:08 AM 19 FÍ S IC A 11. (UPM-SP) Duas pilhas elétricas de resistências internas nulas, associadas em série, “alimentam” a lâmpada in- candescente ilustrada na fi gura abaixo. O amperímetro ideal A indica a intensidade de corrente elétrica 0,50 A quando o voltímetro V, também ideal, indica a d.d.p. de 3,00 V. Sabendo-se que a potên- cia dissipada por efeito Joule no fi lamento da lâmpa- da corresponde a 1 4 do valor nominal, indicado pelo fabricante, pode-se afi rmar que os valores máximos nominais, de potência e tensão elétrica especifi cados na lâmpada (potência – d.d.p.), são: a) 1,50 W – 3,00 V b) 3,00 W – 3,00 V c) 3,00 W – 6,00 V d) 6,00 W – 6,00 V e) 6,00 W – 3,00 V 12. (EsPCEx-SP) Em um circuito elétrico, representado no dese- nho abaixo, o valor da força eletromotriz (fem) do gerador ideal é E = 1,5 V e os valores das resistências dos resistores ôhmicos são R 1 = R 4 = 0,3 Ω, R 2 = R 3 = 0,6 Ω e R 5 = 0,15 Ω. As leituras no voltímetro V e no amperímetro A, ambos ideais, são, respectivamente, a) 0,375 V e 2,50 A b) 0,750 V e 1,00 A c) 0,375 V e 1,25 A d) 0,750 V e 1,25 A e) 0,750 V e 2,50 A 13. (UFRJ) Uma bateria ideal, um amperímetro de resistên- cia interna de 100 Ω e um resistor de resistência de 1 400 Ω são ligados em série em um circuito inicial- mente aberto com terminais a e b, como indicado na figura a seguir. A 100 Ω Bateria ideal 1 400 Ω a b Quando os terminais a e b são conectados por um fio de resistência desprezível, fechando o circuito, se estabelece no amperímetro uma corrente de 1,00 mA. Quando os terminais a e b são conectados por um resistor, fechando o circuito, se estabelece no amperí- metro uma corrente de 0,20 mA. Calcule a resistência desse resistor. 14. +Enem [H21] O circuito a seguir mostra três resistores R iguais, ligados a um gerador ideal de tensão U, por meio de fi os de ligação ideais. Com a chave Ch aberta, o am- perímetro, também ideal, indica uma corrente elétrica de intensidade 0,8 A. A U R R R Ch Ao se fechar a chave Ch, o amperímetro passará a indicar uma corrente elétrica de intensidade: a) 0,4 A b) 0,8 A c) 1,6 A d) 2,4 A e) 3,6 A 15. (Unicamp-SP) Uma bateria de automóvel pode ser repre- sentada por uma fonte de tensão ideal ε em série com uma resistência r. O motor de arranque, de contato R, é acionado através da chave de contato C, conforme mostra a fi gura. C R Motor de arranque Bateria r V A ε Foram feitas as seguintes medidas no voltímetro e nos amperímetros ideais: Chave aberta Chave fechada V (volts) 12 10 A (ampères) 0 100 a) Calcule o valor da força eletromotriz ε. b) Calcule r e R. Observação: Admita que, no instante em que a chave C é fechada, o motor de arranque funciona como um resistor de resistência R. R e p ro d u ç ã o / U P M -S P. R e p ro d u ç ã o / E s P C E x- S P, 2 0 1 5 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 19 8/7/18 9:08 AM 20 CAPÍTULO 1 16. (Vunesp) Um estudante pretendia construir o tetraedro regular BCDE, representado na fi gura 1, com seis fi os idên- ticos, cada um com resistência elétrica constante de 80 Ω no intuito de verifi car experimentalmente as leis de Ohm em circuitos de corrente contínua. Figura 1 Acidentalmente, o fi o DE rompeu-se; com os cinco fi os restantes e um gerador de 12 V um amperímetro e um voltímetro, todos ideais, o estudante montou o circui- to representado na fi gura 2, de modo que o fi o BC permaneceu com o mesmo comprimento que tinha na fi gura 1. Figura 2 Desprezando a resistência dos fi os de ligação dos instru- mentos ao circuito e das conexões utilizadas, calcule as indicações do amperímetro, em A, e do voltímetro, em V, na situação representada na fi gura 2.17. (Unifap) Seja o circuito apresentado na fi gura a seguir: 80 V x y 2 Ω 8 Ω 2 Ω 8 Ω a) Ao se conectar um amperímetro entre os pontos x e y, qual será o valor da corrente medido pelo aparelho? b) Que diferença de potencial existirá entre os pontos x e y? Dê a soma dos números dos itens corretos. 18. (PUC-RS) Considere o texto e a fi gura para analisar as afi r- mativas apresentadas na sequência. No circuito elétrico mostrado na fi gura a seguir, um re- sistor de 4,0 Ω e uma lâmpada, cuja resistência elétrica é 8,0 Ω estão ligados a uma fonte de 24 V. Nesse circuito são conectados dispositivos de medida de corrente elétri- ca, os amperímetros A 1 e A 2 , e de diferença de potencial elétrico, o voltímetro V. Assume-se que os amperímetros e o voltímetro podem ser considerados ideais, ou seja, que seu efeito no circuito pode ser desprezado na forma como estão ligados. A partir da análise do circuito, afi rma-se que: I. As leituras dos amperímetros A 1 e A 2 são, respectiva- mente, 2,0 A e 2,0 A. II. A leitura do voltímetro V é 24 V. III. As potências dissipadas no resistor e na lâmpada são, respectivamente, 16 W e 32 W. 19. (EFOMM-SP) O sistema abaixo se constitui em um gerador fotovoltaico alimentando um circuito elétrico com 18 V. Determine o rendimento do gerador na situação em que a ra- zão dos valores numéricos da tensão e da corrente medidos, respectivamente, pelo voltímetro V (em volts) e pelo amperí- metro A (em ampères) seja igual a 2. Sabe-se que a potência luminosa solicitada na entrada do gerador é de 80 W. a) 60% b) 70% c) 80% d) 90% e) 100% 20. (Unicamp-SP) Quando dois metais são colocados em conta- to formando uma junção, surge entre eles uma diferença de potencial elétrico que depende da temperatura da junção. a) Uma aplicação usual desse efeito é a medição de tempe- ratura através da leitura da diferença de potencial da jun- ção. As vantagens desse tipo de termômetro, conhecido como termopar, são seu baixo custo e a ampla faixa de va- lores de temperatura que ele pode medir. O gráfi co a se- guir mostra a diferença de potencial U na junção em fun- ção da temperatura para um termopar conhecido como Cromel-Alumel. Considere um balão fechado que con- tém um gás ideal cuja temperatura é medida por um ter- mopar Cromel-Alumel em contato térmico com o balão. Inicialmente o termopar indica que a temperatura do gás no balão é T 1 = 300 K. Se o balão tiver seu volume quadruplicado e a pressão do gás for reduzida por um fator 3, qual será a variação ∆U = U fi nal – U inicial da dife- rença de potencial na junção do termopar? R e p ro d u ç ã o / E F O M M -S P, 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / E p c a r- M G , 2 0 1 3 . R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 20 8/7/18 9:08 AM 21 FÍ S IC A 20 18 16 14 12 10 8 200 250 300 350 400 450 500 U ( m V ) T (K) b) Outra aplicação importante do mesmo efeito é o refri- gerador Peltier. Neste caso, dois metais são montados como mostra a fi gura a seguir. A corrente que fl ui pelo anel é responsável por transferir o calor de uma jun- ção para a outra. Considere que um Peltier é usado para refrigerar o circuito a seguir e que este consegue drenar 10% da potência total dissipada pelo circuito. Qual é a corrente i c que circula no circuito, sabendo que o Peltier drena uma quantidade de calor Q = 540 J em ∆t = 40 s? (Dado: R 1 = 0,3 Ω, R 2 = 0,4 Ω e R 3 = 1,2 Ω) R 1 i c R 2 R 3 Metal 2 Metal 1 Q i Peltier Q 21. (Vunesp) Em um jogo de perguntas e respostas, em que cada jogador deve responder a quatro perguntas (P 1 , P 2 , P 3 e P 4 ), os acertos de cada participante são indicados por um painel luminoso constituído por quatro lâmpadas coloridas. Se uma pergunta for respondida corretamente, a lâmpada associada a ela acende. Se for respondida de forma errada, a lâmpada permanece apagada. A fi gura abaixo representa, de forma esquemática, o circuito que controla o painel. Se uma pergunta é respondida corre- tamente, a chave numerada associada a ela é fechada, e a lâmpada correspondente acende no painel, indicando o acerto. Se as quatro perguntas forem respondidas er- radamente, a chave C será fechada no fi nal, e o jogador totalizará zero ponto. Cada lâmpada tem resistência elétrica constante de 60 Ω e, junto com as chaves, estão conectadas ao ramo AB do circuito, mostrado na fi gura, onde estão ligados um re- sistor ôhmico de resistência R = 20 Ω, um gerador ideal de f.e.m. E = 120 V e um amperímetro A de resistência desprezível, que monitora a corrente no circuito. Todas as chaves e fi os de ligação têm resistências desprezíveis. Calcule as indicações do amperímetro quando um par- ticipante for eliminado com zero acerto, e quando um participante errar apenas a P 2 . 22. (Uniube-MG) Quando a ponte de Wheatstone (ponte de fi o) está em equilíbrio (i G = 0), conforme a fi gura a seguir, o valor de R x é: G 60 cm 40 cm 120 Ω RX G = galvanômetro = fonte elétrica a) 40 Ω b) 60 Ω c) 80 Ω d) 120 Ω e) 180 Ω 23. (PUC-SP) No circuito representado no esquema seguinte, A é um amperímetro de resistência interna desprezível e V, um voltímetro de resistência muito grande em relação às demais do circuito. MN é um reostato de cursor, no qual C é o contato do reostato, 48 Ω, e a resistência interna da bateria, 2 Ω. 20 V 2 Ω 48 Ω M N C V A Sendo o cursor deslocado de M para N, praticamente a indicação do voltímetro: a) não varia e tem valor 20 V. b) varia de zero a 19,2 V. c) varia de 19,2 V a zero. d) varia de zero a 20 V. e) varia de 20 V a zero. 24. +Enem [H21] Ao analisar o trecho de circuito represen- tado a seguir, um estudante de engenharia eletrônica usa um voltímetro ideal para medir a tensão entre os pontos A e E, obtendo um valor U AE = V A – V E = +6 V. 2 Ω 4 Ω 9 V 12 V E i i D B A C R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 3 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 21 8/7/18 9:08 AM 22 CAPÍTULO 1 Dessa forma, com base no que aprendeu nas aulas teóri- cas, ele pôde concluir corretamente que a intensidade da corrente elétrica i indicada é: a) 1,0 A b) 1,5 A c) 2,0 A d) 3,0 A e) 6,0 A 25. (ITA-SP) Alguns tipos de sensores piezorresistivos po- dem ser usados na confecção de sensores de pressão baseados em pontes de Wheatstone. Suponha que o resistor R x do circuito da fi gura seja um piezorresistor com variação de resistência dada por R x = kp + 10 Ω, em que k = 2,0 ⋅ 10–4 Ω/Pa e p, a pressão. Usando este piezorresistor na construção de um sensor para medir pressões na faixa de 0,10 atm a 1,0 atm, assinale a faixa de valores do resistor R 1 para que a ponte de Wheatsto- ne seja balanceada. São dados: R 2 = 20 Ω e R 3 = 15 Ω. a) De R 1min = 25 Ω a R 1máx = 30 Ω b) De R 1min = 20 Ω a R 1máx = 30 Ω c) De R 1min = 10 Ω a R 1máx = 25 Ω d) De R 1min = 9,0 Ω a R 1máx = 23 Ω e) De R 1min = 7,7 Ω a R 1máx = 9,0 Ω 26. (UPM-SP) No circuito a seguir, os geradores são ideais, as correntes elétricas têm os sentidos indicados e i 1 = 1 A. O valor da resistência R é: i 2 i 1 i 120 Ω 100 V 150 V 20 Ω R a) 3 Ω b) 6 Ω c) 9 Ω d) 12 Ω e) 15 Ω 27. (ITA-SP) No circuito dado, quando o cursor do reostato R é colocado no ponto C, o amperímetro não acusa passagem de corrente elétrica. 2 Ω 50 Ω A R B C A 10 V 4 V Qual a diferença de potencial entre os pontos C e B? a) 4 V b) 6 V c) 10 V d) 16 V e) 20 V 28. (Fuvest-SP) Considere o circuito representado esquemati- camente na fi gura a seguir. O amperímetro ideal A indica a passagem de uma corrente de 0,50 A. R2 D C ε1 = 6,0 V R1 = 0,50 Ω R3 = 10 Ω ε2 = 4,0 V A Os valores das resistências dos resistores R 1 e R 3 e das forças eletromotrizesε 1 e ε 2 dos geradores ideais estão in- dicados na fi gura. O valor do resistor R 2 não é conhecido. Determine: a) o valor da diferença de potencial entre os pontos C e D; b) a potência fornecida pelo gerador ε 1 . 29. (Udesc) De acordo com a fi gura, os valores das correntes elétricas i 1 , i 2 e i 3 são, respectivamente, iguais a: a) 2,0 A, 3,0 A e 5,0 A b) –2,0 A, 3,0 A e 5,0 A c) 3,0 A, 2,0 A e 5,0 A d) 5,0 A, 3,0 A e 8,0 A e) 2,0 A, –3,0 A e –5,0 A 30. (UFPE) O circuito a seguir é chamado “divisor de ten- são”, pois permite obter uma diferença de potencial V entre os pontos A e B quando se dispõe de uma fonte de tensão V 0 , entre C e D, e duas resistências com os valores indicados: V4 Ω 8 Ω A+ B– V 0 –D +C Qual o valor da relação V V 0 para esse circuito? R e p ro d u ç ã o / I T A -S P, 2 0 1 2 . R e p ro d u ç ã o / U d e s c , 2 0 1 2 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 22 8/7/18 9:08 AM 23 FÍ S IC A 31. (UEL-PR) Considere o circuito e os valores representados no esquema a seguir. 12 V 12 V 6,0 Ω 12 Ω 4,0 Ω A O amperímetro ideal A deve indicar uma corrente elétrica, em ampères, igual a: a) 1,3 b) 1,0 c) 0,75 d) 0,50 e) 0,25 32. (ITA-SP) Com base no esquema a seguir, em que ε = 2,0 V, r i = 1,0 Ω e r = 10 Ω, e estando as correntes indicadas, pode- mos concluir que os valores de i 1 , i 2 e i 3 são, respectivamente: i1 i3 i2rε; ri ε; ri ε; ri a) 0,20; –0,40; 0,20 b) –0,18; 0,33; 0,15 c) 0,20; 0,40; 0,60 d) –0,50; 0,75; 0,25 e) 0,18; 0,33; 0,51 Vá em frente Acesse <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab>. Acesso em: 25 mar. 2018. No site, você pode testar os circuitos vistos no capítulo e criar muitos outros. Autoavalia•‹o: V‡ atŽ a p‡gina 103 e avalie seu desempenho neste cap’tulo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c01_01a23.indd 23 8/7/18 9:08 AM ► Reconhecer os elementos que possuam propriedades magnéticas. ► Compreender como interagem os ímãs e suas propriedades. ► Analisar os efeitos da passagem de corrente elétrica por um fi o condutor. ► Entender como se manifesta o campo magnético da Terra. ► Compreender e utilizar a regra da mão direita para analisar o comportamento de campos magnéticos. ► Identifi car e compreender os efeitos da passagem da corrente elétrica por espiras e solenoides. Principais conceitos que você vai aprender: ► Ímãs ► Campo magnético ► Linhas de Campo ► Campo magnético da Terra ► Permeabilidade magnética ► Espiras, solenoides ► Regra da mão direita ► Vetor indução magnética 24 OBJETIVOS DO CAPÍTULO sergign/S h u tte rsto ck 2 CAMPO MAGNÉTICO A velocidade cronológica dos fatos que levaram ao aumento da capacidade de armaze- namento de dados é surpreendente. Na década de 1950, surgiram os primeiros discos rígi- dos que iriam equipar os computadores. Em 1956, IBM sai na frente com o IBM 350 Disk File. Esse disco rígido magnético equipou o RAMAC 305, o primeiro computador com esse siste- ma de armazenamento de dados, cuja capacidade era de incríveis 4.4 MB. Além do fato de pesar uma tonelada, era composto por 15 discos empilhados de 24 polegadas. Para a época, essa capacidade era muito signifi cativa. Os primeiros computadores pessoais da década de 1970 não apresentavam tanta capacidade. Essa realidade começou a mudar quando a magnetorresistência gigante passou a ser utilizada na tecnologia dos discos. Tal descoberta científi ca, que rendeu o prêmio Nobel a Albert Fert e a Peter Gruenberg, em 2007, promoveu um salto signifi cativo nas capacida- des de armazenamento: dos 4.4 MB no RAMAC para mais de 60 GB. Os discos rígidos são constituídos por discos metálicos, cuja superfície é revestida com material magnético, e por cabeças magnéticas de leitura, onde seus minúsculos ímãs orientados permitem os processos de gravação e leitura. Girando em alta velocidade, atingido 7 200 r.p.m. e até 10 000 r.p.m., as cabeças de leitu- ra magnética, com seus minúsculos ímãs, varrem toda a superfície do disco. No processo de gravação, o campo magnético gerado pelas cabeças de leitura provo- ca movimentação das moléculas presentes na camada da superfície do disco. Isso causa reorganização e alinhamento dos polos negativo e positivo. A variação da polaridade dos eletroímãs presentes na cabeça de leitura permite que as moléculas da superfície do disco também variem. Assim, de acordo com a orientação dos polos, temos um bit que será inter- pretado como 0 ou como 1. Com uma sequência, zeros e uns, temos o armazenamento de arquivos. Já no caso da leitura, as variações no alinhamento das moléculas gera uma cor- rente elétrica que é transmitida para as bobinas presentes nas cabeças de leitura, o que é interpretado por uma sequência de bits pela placa lógica do computador. • Além dessas aplicações, o uso do magnetismo possibilitou outras inúmeras criações que contribuíram para o avanço tecnológico. Você conhece outras aplicações impor- tantes para nossas vidas? Como as correntes elétricas e os campos magnéticos podem contribuir signifi cativamente para um desenvolvimento sustentável? Professor, aproveite este momento para trabalhar a habilidade 21 da matriz curricular do Enem, que con- siste em: “Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e (ou) do eletromagnetismo.” Evidencie para os alunos a impor- tância do campo magnético tanto para a estruturação do planeta como para os avanços tecnológi- cos. Há inúmeras aplicações para o magnetismo. Normalmente, todos os tipos de motores envolvem pro- priedades elétricas e magnéticas, como os celulares, os trens maglev e vários equipamentos médicos de diagnóstico. C h a iy a g o rn P h e rm p h o o n /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 24 8/7/18 9:07 AM 25 FÍ S IC A O ’m‹ e suas propriedades Segundo historiadores da ciência, foi o fi lósofo grego Tales de Mileto (624-546 a.C.) o primeiro a registrar a existência de fenômenos magnéticos. Em uma viagem que fez à região da Magnésia, na Ásia Menor, ele encontrou algumas rochas metálicas que ti- nham uma propriedade especial: elas eram capazes de atrair pequenos pedaços de ferro. Hoje sabemos que essas rochas são formadas por um óxido de ferro (Fe 3 O 4 ) e são denomi- nadas ímãs. Ímã em forma de U e a propriedade de atrair objetos de ferro, como clipes. A partir de experimentos realizados ao longo da história, diversas propriedades funda- mentais foram descobertas sobre os ímãs. No início do século XVII, por exemplo, o cientista e médico inglês William Gilbert (1544-1603) publicou o tratado De magnete, considerado um dos primeiros trabalhos sistemáticos sobre o magnetismo, no qual ele sugeriu que a Terra se comportava como uma imensa esfera magnética. Capa do livro De magnete, publicado por William Gilbert por volta de 1600. Pedra natural de magnetita. V it al y R ad u n ts e v/ S h u tt e rs to ck h a ry ig it /S h u tt e rs to ck W ill ia m G ilb e rt . D e M a g n e te , 1 6 2 8 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 25 8/7/18 9:07 AM 26 CAPÍTULO 2 Polos magnéticos Um ímã em forma de barra, quando suspenso por um fi o e livre para girar horizontal- mente, posiciona-se sempre na direção norte-sul terrestre, como mostra a fi gura adiante. Baseado nessa constatação, defi niu-se que todo ímã tem dois polos magnéticos: o polo norte magnético (N), que aponta para o polo norte geográfi co da Terra, e o polo sul magnético (S), que aponta para o polo sul geográfi co terrestre. N S Sul geográfico Norte geográfico Propriedades dos ímãs Os ímãs interagem entre si, ou seja, trocam forças, denominadas forças magnéticas. As formas como os ímãs trocam essas forças são as seguintes: Polos magnéticos de mesmos nomes se repelem. N S S NN S S N –F mag. –F mag. F mag.F mag. Polos magnéticos de nomes diferentes se atraem. S N S N F mag. –F mag. Os polos de um ímã são inseparáveis, e, quando são cortados, surgem polos contrá- rios aos da extremidade da parte seccionada. Mesmo sendo fragmentado até se chegar à molécula do óxido de ferro, ele continua tendo as propriedades de um ímã, isto é, nele continuam existindo os polos norte e sul. Essa propriedade é conhecida como princípio da inseparabilidade dos polos magnéticos. NSNS S N Campo magnético Para descrevermos a ação da distância entre dois ímãs ou entre um ímã e um objeto de ferro magnético, empregamos o conceito de campo. O campo magnético é a região do espaço ao redor de um ímã sobre a qual atuam forças magnéticas sobre outros objetos magnéticos. Na primeira metade do século XIX, o cientista inglês Michael Faraday (1791-1867) fez uma experiência simples na qual “mostrou” a forma do campo magnético em torno de um ímã. Defi nição Campo magnético : região de perturbação magnética criada ao redor de um ímã. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 26 8/7/18 9:07 AM 27 FÍ S IC A Ele salpicou limalhas de ferro ao redor de um ímã que repousava sobre uma mesa e percebeu a formação de padrões, como ilustra a imagem. Linhas de indução e vetor campo magnético A experiência de Faraday originou a ideia de se representar o campo magnético pelas li- nhas de campo, também chamadas de linhas de indução magnética. Por convenção, as linhas de indução magnéticas “partem” do polo norte magnético de um ímã e “chegam” ao polo sul magnético, como mostra a fi gura. N S Para se caracterizar o campo magnético em cada ponto do espaço, defi ne-se o vetor campo magnético B r , que é tangente à linha de indução magnética, aponta no sentido da linha de indução e é medido em tesla (T), no Sistema Internacional (SI). Uma importante propriedade é que uma bússola, quando colocada em um campo magnético, tem sua agu- lha orientada paralelamente ao vetor indução magnética B r , com o norte apontando no sentido do vetor B r , como mostra a fi gura. 1 B P N Linha de campo magnético S Campo magnético terrestre A Terra, como muitos outros planetas, gera enormes campos magnéticos ao seu redor. A origem desses campos ainda é objeto de estudos. No entanto, podemos descrevê-los de forma simples, considerando os planetas como gigantescos ímãs. im a g e d b .c o m /S h u tt e rs to ck Atenção 1 Quando um objeto constituído de um material ferromagnético (prego) é colocado em uma região de campo magnético (próximo a um ímã), ocorre uma organização nos domínios magnéticos do objeto e ele adquire uma polaridade magnética momentânea. Padrões formados por limalhas de ferro ao redor de um ímã. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 27 8/7/18 9:07 AM 28 CAPÍTULO 2 Dessa forma, podemos explicar por que, pelo menos na Terra, as bússolas se orientam na direção norte-sul geográfi co. No entanto, para manter as convenções adotadas histori- camente, o polo norte magnético terrestre encontra-se próximo ao seu polo sul geográfi - co e o polo sul magnético, próximo ao polo norte geográfi co, como mostra a imagem. 1 Sul magnético Sul geográfico Norte geográfico Norte magnético Bússola Interação Os pombos-correios podem se orientar pelo campo da Terra e as trutas têm partículas de magnetita na região próxima ao bulbo olfativo; ambos se enquadram no estudo da migração com ótima orientação. Entretanto, a descoberta de bactérias magnéticas, único caso em que um receptor de campo magnético foi identifi cado, e seu efeito na orientação dos microrga- nismos são comprovados de maneira evidente. No interior delas, existe uma cadeia linear de cristais nanométricos de magnetita, responsáveis por sua orientação, agindo como se fossem a agulha de uma bússola. A busca, portanto, de um sistema magnetorreceptor continua em aberto, assim como a de um mecanismo capaz de traduzir a informação contida no campo para uma forma que possa ser “entendida” pelo sistema nervoso do animal, gerando no or- ganismo uma ação (orientação, navegação, etc.) correlacionada a alguma característica do campo (por exemplo, direção, sentido ou intensidade). Um estudo feito com mosca-das-frutas (Drosophila melanogaster) coloca mais uma importante peça no cenário complexo da sensibi- lidade de organismos a campos magnéticos: uma proteína sensível (Cry) a certas frequências da luz tem papel-chave na sensibilidade desse inseto ao campo magnético. Disponível em: <www1.folha.uol.com.br/folha/ciencia/ult306u12682.shtml>. Acesso em: 27 abr. 2015. Curiosidade 1 O campo magnético terrestre é fundamental para a existência e a conservação da vida no planeta. De fato, o Sol emite para o espaço não só luz e calor, mas também uma quantidade imensa de partículas eletrizadas com alta velocidade, processo denominado de vento solar. Estas podem ser muito prejudiciais aos seres vivos, visto que são altamente ionizantes. O campo magnético terrestre, no entanto, funciona como uma blindagem, desviando essas partículas em direção aos polos, onde produzem o fenômeno conhecido com aurora boreal. Representação do campo magnético terrestre. O desvio dos ventos solares, pelo campo magnético terrestre, para os polos gera a aurora boreal. In c re d ib le A rc ti c /S h u tt e rs to c k Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 28 8/7/18 9:07 AM 29 FÍ S IC A Atividades 1. (IFSP) No mundo, existe uma grande variedade de ele- mentos químicos metálicos, cujas propriedades físicas e químicas são similares ou bastante distintas. Comumente, os metais são separados em dois grandes grupos: os fer- rosos (compostos por ferro) e os não ferrosos (ausência de ferro). O primeiro grupo é considerado magnético, en- quanto que o segundo não. Desta forma, uma maneira efi ciente e rápida para fazer a separação destes elementos é pela utilização de eletroímãs, que são dispositivos que atraem apenas os metais ferromagnéticos. Considere as quatro barras QR, ST, UV e WX aparentemente idênticas. Verifi ca-se, experimentalmente, que Q atrai T, repele U e atrai W; R repele V, atrai T e atrai W. Diante do exposto, assinale a alternativa correta. a) QR e ST são ímãs. b) QR e UV são ímãs. c) RS e TU são ímãs. d) QR, ST e UV são ímãs. e) As quatro barras são ímãs. De acordo com as informações descritas, temos: • Q repele U; • R repele V. Podemos concluir que as barras QR e UV são imãs, pois ob- servamos ocorrência da repulsão. Com a ocorrência de atração, poderemos ter ímãs e materiais ferrosos. Alternativa b 2. +Enem [H18] Um bloco de ferro é colocado nas pro- ximidades de um ímã e observa-se atração entre eles. Diante dessa situação: a) é o ímã que atrai o ferro. b) é o ferro que atrai o ímã. c) a atração do ímã pelo ferro é mais intensa que a atra- ção do ferro pelo ímã. d) a atração do ímã pelo ferro é menos intensa que a atração do ferro pelo ímã. e) o ímã e o ferro se atraem com forças de mesma intensidade. O par de forças trocadas entre o ímã e o ferro forma um par de ação e reação. Portanto, são forças de mesma intensidade, mesma direção e sentidos contrários. Sendo assim, a alterna- tiva que apresenta a resposta mais coerente é a e. Alternativa e 3. (Vunesp) Um ímã em forma de barra, com seus polos Norte e Sul, é colocado sob uma superfície coberta com partículas de limalha de ferro, fazendo com que elas se alinhem segundo seu campo magnético. Se quatro peque- nas bússolas, 1, 2, 3 e 4, forem colocadas em repouso nas posições indicadas na fi gura, no mesmo plano que contém a limalha, suas agulhas magnéticas orientam-se segundo as linhas do campo magnético criado pelo ímã. Fonte: <www.grupoescolar.com>. Adaptado. Desconsiderando o campo magnético terrestre e conside- rando que a agulha magnética de cada bússola seja repre- sentada por uma seta que se orienta na mesma direção e no mesmo sentido dovetor campo magnético associado ao ponto em que ela foi colocada, assinale a alternativa que indica, correta e respectivamente, as confi gurações das agulhas das bússolas 1, 2, 3 e 4 na situação descrita. a) b) c) d) e) A orientação das agulhas de bússola deve obedecer aos se- guintes critérios: • se alinhar de maneira a tangenciar as linhas de força; • orientar-se do polo Norte para o polo Sul. Alternativa c R e p ro d u ç ã o / I F S P, 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 29 8/7/18 9:07 AM 30 CAPÍTULO 2 4. (Fuvest-SP) A figura I representa um ímã permanente em forma de barra, onde N e S indicam, respectivamente, polos norte e sul magnéticos. Suponha que a barra seja dividida em três pedaços como mostra a figura II. N S Figura I Figura II Figura III S B S B A N A N Colocando lado a lado pedaços extremos, como indicado na figura III, é correto afirmar que eles: a) se atrairão, pois A é polo norte e B é polo sul. b) se atrairão, pois A é polo sul e B é polo norte. c) não serão atraídos nem repelidos. d) se repelirão, pois A é polo norte e B é polo sul. e) se repelirão, pois A é polo sul e B é polo norte. Pelo princípio da inseparabilidade dos polos, as novas extremi- dades, A e B, serão polo sul e norte, respectivamente. Portan- to, no esquema representado pela figura III haverá repulsão. N e B se repelem, assim como A e S. Alternativa e 5. (IFSP) Dispõe-se de três ímãs em formato de barra, confor- me mostra a figura a seguir: Sabe-se que o polo A atrai o polo C e repele o polo E. Se o polo F é sul, pode-se dizer que: a) A é polo sul e B polo Sul. b) A é polo sul e C é polo norte. c) B é polo norte e D é polo norte. d) A é polo norte e C é polo sul. e) A é polo norte e E é polo sul. Em relação às forças magnéticas entre os polos de um ímã, temos duas características: • polos de mesmo nome se repelem; • polos de nomes contrários se atraem. Dessa forma, se: F é polo sul, então E é polo norte. Como A repele E s A é polo Norte; Se A atrai C s C é polo Sul. Alternativa d 6. (PUC-SP) Leia o texto. O solenoide de múon compacto (do inglês CMS – com- pact muon solenoid) é um dos detectores de partículas construídos no grande colisor de hádrons, que irá colidir feixes de prótons no CERN, na Suíça. O CMS é um detec- tor de uso geral, capaz de estudar múltiplos aspectos das colisões de prótons a 14 TeV, a energia média do LHC. Contém sistemas para medir a energia e a quantidade de movimento de fótons, elétrons, múons e outras partículas resultantes das colisões. A camada detectora interior é um semicondutor de silício. Ao seu redor, um calorímetro eletromagnético, de cristais centelhadores, é rodeado por um calorímetro de amostragem de hádrons. O rastreador e o calorímetro são suficientemente compactos para que possam ficar entre o ímã solenoidal do CMS, que gera um campo magnético de 4 teslas. No exterior do ímã situam- -se os detectores de múons. Considerando-se que o campo magnético terrestre sobre a maior parte da América do Sul é da ordem de 30 mi- croteslas (0,3 gauss), a razão entre o campo magnético gerado pelo CMS e o campo magnético terrestre é, apro- ximadamente: a) 130 mil b) 13 mil c) 10 mil d) 1 000 e) 100 O campo magnético gerado pelo CMS é de 4 T e o campo magnético terrestre é da ordem de 30 μT (3 ⋅ 10–5 T). Assim, temos: B B CMS Terra = 4 3 105 ⋅ = 1,3 ⋅ 105 ou ainda 130 mil Alternativa a 7. (FCC-SP) O prego de ferro AB, inicialmente não imantado, é aproximado do polo norte N de um ímã, como mostra a figura a seguir. N BA A respeito dessa situação, são feitas três afirmações: I. O campo magnético do ímã magnetiza o prego mo- mentaneamente. II. Em A forma-se um polo norte e em B, um polo sul. III. O ímã atrai o prego. Dessa(s) afirmação(ções), está(ão) correta(s): a) apenas I. b) apenas III. c) apenas I e II. d) apenas II e III. e) I, II e III. Quando um objeto, constituído de um material ferromagnéti- co (prego), é colocado em uma região de campo magnético (próximo a um ímã), ocorre uma organização nos domínios magnéticos do objeto e ele adquire uma polaridade magnéti- ca momentânea. No caso da figura, a ponta do prego (A) e a cabeça do prego (B) adquirem polaridades magnéticas norte e sul, respectivamente, e o prego é, portanto, atraído pelo ímã. Alternativa e R e p ro d u ç ã o / I F S P, 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 30 8/7/18 9:07 AM 31 FÍ SI CA 8. (Enem) A magnetohipertermia é um procedimento tera- pêutico que se baseia na elevação da temperatura das células de uma região específi ca do corpo que estejam afe- tadas por um tumor. Nesse tipo de tratamento, nanopartí- culas magnéticas são fagocitadas pelas células tumorais, e um campo magnético alternado externo é utilizado para promover a agitação das nanopartículas e consequente aquecimento da célula. A elevação de temperatura descrita ocorre porque: a) o campo magnético gerado pela oscilação das nano- partículas é absorvido pelo tumor. b) o campo magnético alternado faz as nanopartículas girarem, transferindo calor por atrito. c) as nanopartículas interagem magneticamente com as células do corpo, transferindo calor. d) o campo magnético alternado fornece calor para as nanopartículas que o transfere às células do corpo. e) as nanopartículas são aceleradas em um único sentido em razão da interação com o campo magnético, fa- zendo-as colidir com as células e transferir calor. Com a alternância do campo magnético, temos que as nano- partículas, que se comportam como nanoímãs, estejam em constante agitação, chocando-se contra as células tumorais, aquecendo-as por atrito. Alternativa b Complementares Tarefa proposta 1 a 16 9. (UEM-PR) Sobre os campos magnéticos e os materiais magnéticos, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). (01) Ímãs são corpos dotados de propriedades magnéticas. Quando construídos no formato de hastes retilíneas, possuem regiões em que o campo magnético se tor- na mais intenso. Essas regiões são denominadas po- los do ímã. (02) Um campo magnético pode ser criado tanto por uma corrente elétrica em um fi o quanto por um ímã. (04) Um ímã no formato de uma haste, quando pendura- do pelo centro do eixo da haste, de modo que possa girar livremente em torno deste centro, orienta-se segundo o campo magnético terrestre. O polo do ímã que se orienta em direção ao norte geográfi co é denominado de polo norte do ímã e o polo do ímã que se orienta em direção ao polo sul geográfi co é denominado polo sul do ímã. (08) Ao aproximarmos dois ímãs, verifi camos que os polos magnéticos de mesmo nome se atraem e de nomes diferentes se repelem. (16) A Terra, como os ímãs, possui um campo magné- tico. É por meio deste campo magnético que dis- positivos de orientação como a bússola funcionam. Portanto, a Terra também possui dois polos mag- néticos. O polo norte magnético da Terra coincide com o polo sul geográfi co e o polo sul magnético da Terra coincide com o polo norte geográfi co. Dê a soma dos números dos itens corretos. 10. (UEPG-PR) As cartas magnéticas, muito utilizadas em Geo- grafi a, áreas da Engenharia e Ciências, servem para orienta- ção, tanto no campo dos estudos topográfi cos, navegações aéreas e marítimas, como também no campo econômico, já que grande concentração de minerais ou petróleo pode provocar alterações magnéticas na região. Sobre os fenô- menos magnéticos, assinale o que for correto. (01) O planeta Terra apresenta campo magnético natu- ral. Sob a infl uência do campo magnético terrestre, é possível utilizar uma bússola como referência de orientação. (02) Em um imã, chama-se de polo norte magnético a extremidade que se orienta para o Polo Norte geo- gráfi co terrestre. A outra extremidade que se orien- ta para o Polo Sul geográfi co terrestre, chama-se de polo sul magnético.(04) O fenômeno da “inseparabilidade dos polos” só foi observado em materiais ferromagnéticos. (08) A temperatura de Curie é a temperatura na qual um material perde todas as suas propriedades ferro- magnéticas. Dê a soma dos números dos itens corretos. 11. (Vunesp) A bœssola interior A comunidade cientí� ca, hoje, admite que certos animais detectam e respondem a campos magnéticos. No caso das trutas arco-íris, por exemplo, as células sen- soriais que cobrem a abertura nasal desses peixes apre- sentam feixes de magnetita que, por sua vez, respondem a mudanças na direção do campo magnético da Terra em relação à cabeça do peixe, abrindo canais nas membranas celulares e permitindo, assim, a passagem de íons; esses íons, a seu turno, induzem os neurônios a enviar mensa- gens ao cérebro para qual lado o peixe deve nadar. As � - guras demonstram esse processo nas trutas arco-íris: Figura 1 Figura 2 Norte Linhas de campo magnético Feixe de magnetitaPoro bloqueado Poro aberto Membrana celular Norte Íon Scienti� c American Brasil. Aula Aberta, n. 13. (Adaptado.) Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 31 8/7/18 9:07 AM 32 CAPÍTULO 2 Na situação da fi gura 2 (direita), para que os feixes de magnetita voltem a se orientar como representado na fi gura 1 (esquerda), seria necessário submeter as trutas arco-íris a um outro campo magnético, simultâneo ao da Terra, mais bem representado pelo vetor: a) b) c) d) e) 12. (UFV-MG) Observe a fi gura: N S N S N S N S N S N S Campo magnético gerado por corrente elétrica Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) contribuiu com uma das descobertas mais marcantes da história da ciência. Ele estava preparando os mate- riais para uma aula experimental, quando notou que a agulha de uma bússola era defl eti- da ao fazer uma corrente elétrica passar em um circuito próximo. Concluiu, então, que a corrente elétrica gerava um campo magnético. A partir dessa experiência, a eletricidade e o magnetismo tornaram-se uma única ciência, o eletromagnetismo. Campo magnético gerado por um fi o reto Considere um fi o condutor retilíneo e muito comprido no qual passa uma corrente elé- trica contínua de intensidade i. Essa corrente gera ao redor do fi o um campo magnético cujas linhas de indução são círculos concêntricos com o fi o contidos num plano perpendi- cular ao fi o, como mostra a fi gura. i r B P i O sentido das linhas de indução é determinado pela regra da m‹o direita. Apontando-se o dedo polegar (“dedão”) da mão direita no sentido da corrente elétrica e girando-se a mão, o sen- tido de giro dos outros dedos será o sentido das linhas de indução. Já a intensidade do vetor indução magnética B r em um ponto P a uma distância r do fi o é dada por: i B (i) (B) Polegar→ Dedos→ B i r = µ⋅ π ⋅2 em que µ é a permeabilidade magnética do meio e tem, no vácuo, o valor de µ 0 = 4π ⋅ 10–7 T ⋅ m A . S c ie n c e S o u rc e /P h o to R e s e a rc h e rs R M /G e tt y I m a g e s Hans Christian Oersted, um dos descobridores do eletromagnetismo. Seis bússolas, quando colocadas nas proximidades de uma caixa que contém um ímã, orientam-se conforme a ilustra- ção. O posicionamento correto do ímã é: a) S N b) N S c) N S d) N S e) S N Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 32 8/7/18 9:07 AM 33 FÍ S IC A Como no eletromagnetismo se trabalha com fi guras tridimensionais, é preciso uma re- presentação espacial para os vetores, em especial para aqueles que são perpendiculares ao plano da fi gura. Então, convenciona-se: Representação de um vetor perpendicular ao plano e saindo do plano Representação de um vetor perpendicular ao plano e entrando no plano Usando essas representações, temos: B 2 B 1 i Decifrando o enunciado Lendo o enunciado Fique atento à informação de que os fi os são equidistantes do ponto P. Observe que, apesar de não haverem resistores especifi camente, os fi os que compõe o circuito apresentam resistência elétrica. Verifi que pela regra da mão direita que os sentidos dos campos magnéticos serão os mesmos e isso terá impacto no cálculo do campo resultante. As extremidades de um fi o condutor comprido, de resistência R = 3 Ω, são ligadas nos terminais de uma pilha de 1,5 V, formando dois ramos praticamente retos e paralelos entre si, distantes 4 cm um do outro, como mostra a fi gura. P 4 cm Sendo a permissividade elétrica µ = 4π · 10–7 T ⋅ m A , determine, aproximadamente, a inten- sidade do campo magnético no ponto P, equidistante dos fi os. Resolu•‹o Aplicando os conceitos do sentido da corrente (horário) e a regra da mão direita, temos dois campos magnéticos, B1 r e B2 r , gerados por cada ramo do fi o, entrando no plano da página, como mostra fi gura a seguir. P 4 cm i i B 2 B 1 Pela lei de Ohm, temos: i = U R = 1,5 3 = 0,5 A Sendo P equidistante dos dois ramos do fi o, temos: B 1 = B 2 = i r2 µ ⋅ ⋅ π ⋅ = 4 10 0,5 2 0,02 –7⋅ π ⋅ ⋅ ⋅ π ⋅ = 5 ⋅ 10–6 T Como B1 r e B2 r têm mesma direção e sentido, a intensidade do campo resultante é: B R = B 1 + B 2 = 5 ⋅ 10–6 + 5 ⋅ 10–6 s B R = 1 ⋅ 10–5 T Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 33 8/7/18 9:07 AM 34 CAPÍTULO 2 Campo magnético gerado por uma espira circular Vamos agora analisar o campo magnético gerado por uma corrente elétrica que atra- vessa um fi o condutor com a forma de uma circunferência, chamada de espira circular. A fi gura ilustra as linhas de indução magnética geradas por uma espira circular. Nesse caso, o vetor campo magnético no centro da espira tem direção perpendicular ao plano da espira e sentido dado pela regra da mão direita. Na fi gura a seguir, temos as duas situações possíveis: (a) quando a corrente elétrica circula no sentido anti-horário, o vetor indução magnética B r aponta para fora do plano da página; (b) quando a corrente elétrica circula no sentido horário, o vetor indução magnética B r aponta para dentro do plano da página. A B ii R B ii R B Já a intensidade do vetor indução magnética no centro da espira é dada por: B = i r µ⋅ 2 em que i é a intensidade da corrente elétrica, r é o raio da espira e µ é a permeabilidade magnética do meio. Campo magnético gerado por uma bobina cilíndrica Vamos descrever agora o campo magnético gerado por uma bobina cilíndrica, conhecida como solenoide. No geral, uma bobina cilíndrica é composta por um fi o condutor enrolado em torno de um núcleo. Quando uma corrente elétrica atravessa o fi o, um campo magnético é gerado, tanto no interior do solenoide como em seu entorno, como mostra a fi gura. i F o u a d A . S a a d /S h u tt e rs to ck Linhas de indução magnética geradas por uma corrente elétrica que percorre uma espira circular. Bobina cilíndrica utilizada em um circuito eletrônico e a representação das linhas de indução geradas por ela. Exemplo de bobina cilíndrica – solenoide. Z ig za g M o u n ta in A rt /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 34 8/7/18 9:07 AM 35 FÍ SI CA As linhas de indução magnética no interior da bobi- na são paralelas ao eixo do cilindro e seu sentido pode ser determinado pela regra da mão direita. Já no entor- no do solenoide, o campo magnético é igual ao gerado por um ímã cilíndrico. Por isso, as bobinas são conside- radas como eletroímãs e são utilizadas para içar obje- tos metálicos nos ferros-velhos. A intensidade do vetor indução magnética no inte- rior do solenoide é dada por: B = µ⋅ ⋅i n L em que i é a intensidade da corrente elétrica, µ é a permeabilidade magnética do meio, n é o número de espiras (voltas) e L é o comprimento do solenoide. Conexões Trens Maglev Os avanços nas pesquisas do eletro-magnetismo têm sido de fun- damental importância na evolução tecnológica das últimas décadas. Um exemplo disso é a evolução do transporte ferroviário.Com seu início ainda no século XVI, as locomotivas eram movidas a vapor, pela queima de carvão. No século XIX, foram inventadas as locomo- tivas a diesel e à eletricidade, que vieram com o intuito de substi- tuir as locomotivas a vapor. A aposentadoria da “maria-fumaça”, porém, só aconteceu de� nitivamente em 1977, quando o governo português proibiu de� nitivamente o uso desse tipo de comboio, alegando que este era responsável por várias queimadas no país. No século XX, os trens a diesel foram substituídos por trens a gás, muito mais rápidos – atingindo incríveis 570 km/h (em fase de tes- tes) – econômicos e com menor potencial de poluição. A nova gera- ção promete ser ainda mais rápida. É a geração dos trens Maglev, de alta velocidade, que utilizam a levitação magnética para � utuar sobre suas vias. Eles fazem parte de um sistema mais complexo que conta basicamente com uma potente fonte elétrica, bobinas dispostas ao longo de uma linha guia e grandes ímãs localizados embaixo do trem. Ao serem percorridas por corrente elétrica, as bobinas en� leiradas ao longo da pista (linha guia) criam campos magné- ticos que repelem os grandes ímãs situados embaixo do trem, permitindo que � utue entre 1 cm e 10 cm sobre os trilhos. Com a levitação do trem, outras bobinas, situadas dentro das paredes da linha guia, são percorridas por correntes elétricas que, adequadamente invertidas, mudam a polaridade de magnetização das bobinas. Estas agem nos grandes ímãs, impulsio- nando o trem, que se desloca em um “colchão” de ar, eliminando os atritos de rolamento e escorregamento que possuem os trens convencionais. A ausência de atritos e o per� l aerodinâmico do comboio permitem que o trem atinja velocidades que chegam aos 650 km/h em fases experimentais. Ainda em fase de testes, Japão, China e Alemanha possuem protótipos em tamanho real. Embora sua grande velocidade seja um atrativo e um potencial concorrente dos aviões, seus elevados custos de produção o limitam a apenas uma única linha comercial, o transrapid de Xangai. Consta que essa máquina faz um percurso de 30 km em apenas 8 minutos. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/� sica/trens-maglev.htm>. Acesso em: 29 abr. 2015. 1. A evolução dos transportes gera numerosos avanços em relação ao comércio e à locomoção de pessoas, mas também ocasiona perdas irreparáveis ao meio ambiente, bem como o consumo de recursos naturais como combustíveis. Com esse tema, construa um texto que levante os benefícios e os males da evolução dos transportes, lembrando-se de expressar possíveis soluções para os problemas levantados. 2. Faça uma pesquisa sobre o projeto Maglev-Cobra, que está em fase de testes no Rio de Janeiro, e escreva sobre o que atrasa a sua construção. Grande eletroímã de um guindaste, utilizado para levantar sucata metálica em ferros-velhos. w o rr a d ir e k /S h u tt e rs to ck C h a m e le o n s E y e /S h u tt e rs to ck Professor, con� ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 35 8/7/18 9:07 AM 36 CAPÍTULO 2 Atividades 13. (Vunesp) A fi gura a seguir representa um condutor retilí- neo, percorrido por uma corrente elétrica i, conforme a convenção indicada. O sentido do campo magnético no ponto P, localizado no plano da fi gura, é: i P a) contrário ao da corrente elétrica. b) saindo perpendicularmente da página. c) entrando perpendicularmente na página. d) para sua esquerda, no plano do papel. e) para sua direita, no plano do papel. Observando a � gura e utilizando a regra da mão direita, pode- mos perceber que o campo está entrando no papel e é per- pendicular ao plano deste. Alternativa c 14. (EEAR-SP) Um fi o condutor é percorrido por uma corrente i como mostra a fi gura. Próximo ao condutor existe um ponto P, também re- presentado na fi gura. A opção que melhor representa o vetor campo magnético no ponto P é: a) b) c) d) De acordo com a regra da mão direita, corrente saindo do plano do papel, temos o vetor campo magnético no ponto P, representado conforme a � gura. P B Alternativa a 15. (IFPE) Uma bobina chata representa um conjunto de N espiras que estão justapostas, sendo essas espiras todas iguais e de mesmo raio. Considerando que a bobina da fi gura a seguir tem resistência de R = 8 Ω, possui 6 espi- ras, o raio mede 10 cm, e ela é alimentada por um gera- dor de resistência interna de 2 Ω e força eletromotriz de 50 V, a intensidade do vetor indução magnética no centro da bobina, no vácuo, vale: (Dado: µ 0 = 4π ⋅ 10–7 T ⋅ m/A (permeabilidade magnética no vácuo)) i B 10 cm 50 V i R = 8 Ω r = 2 Ω a) 2π ⋅ 10–5 T b) 4π ⋅ 10–5 T c) 6π ⋅ 10–5 T d) 7π ⋅ 10–5 T e) 9π ⋅ 10–5 T A corrente elétrica que atravessa a bobina é: i = r Req. ε + = 50 2 8+ s i = 5 A Campo magnético no centro da bobina: B = N ⋅ 2 i r µ ⋅ ⋅ s B = 6 ⋅ 4 10 5 2 0,1 –7π ⋅ ⋅ ⋅ s B = 6π ⋅ 10–5 T Alternativa c 16. (Uece) Em um experimento A, sobre eletromagnetismo, um fi o condutor muito fi no é disposto em linha reta sobre uma mesa isolante horizontal. Pelo fi o passa uma corrente elétrica constante. Em um segundo experimento, B, o mes- mo fi o é disposto na forma de uma circunferência também sobre a mesa. Em ambas as situações o fi o está contido no plano da mesa. É correto afi rmar que, no plano da mesa, os campos magnéticos produzidos pela corrente elétrica nos dois experimentos são: a) verticais. b) horizontais. c) vertical e horizontal, respectivamente. d) horizontal e vertical, respectivamente. Em ambos os casos, de acordo com a regra da mão direi- ta, o vetor indução magnética será perpendicular ao plano da mesa. Observe as imagens. B i i B R 2 Alternativa a R e p ro d u ç ã o / E E A R -S P, 2 0 1 7. Romario Ien/ Shutte rstock Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 36 8/7/18 9:07 AM 37 FÍ S IC A 17. +Enem [H21] A fi gura a seguir mostra um esquema da experiência realizada pelo físico dinamarquês Hans Chris- tian Oersted, em 1820, considerada um dos marcos iniciais do eletromagnetismo. Com a chave Ch aberta, não há passagem de corrente pelo circuito e a bússola aponta na direção norte-sul terrestre. V Bússola Ch S N Ao se fechar a chave Ch, a fonte de tensão V faz cir- cular uma forte corrente elétrica contínua pelo circuito. Com isso, pode-se verifi car na bússola que: a) a agulha da bússola não se move, porque a corrente elétrica gera campo elétrico e não campo magnético. b) a agulha da bússola não se move, porque somente corrente elétrica alternada gera campo magnético. c) a agulha da bússola se defl ete, tendendo a fi car per- pendicular ao fi o, porque a corrente elétrica gera um campo magnético. d) a agulha da bússola é atraída pelo fi o, porque a cor- rente elétrica gera um campo elétrico. e) a agulha da bússola é repelida pelo fi o, porque a cor- rente elétrica gera um campo magnético. A corrente elétrica gera um campo magnético cujas linhas de indução são círculos concêntricos com o � o num plano per- pendicular ao � o. Com isso, a agulha da bussola tende a se orientar perpendicularmente ao � o. Alternativa c 18. (UEG-GO) Duas espiras circulares, concêntricas e coplana- res, de raios R 1 e R 2 , onde R 2 = 5R 1 , são percorridas pelas correntes de intensidades i 1 e i 2 , respectivamente. O campo magnético resultante no centro das espiras é nulo. Qual é a razão entre as intensidades de correntes i 2 e i 1 ? a) 0,2 b) 0,8 c) 1,0 d) 5,0 e) 10 Representando as espiras e suas respectivas correntes, te- mos: i 2 i 1 R 2 R 1 No centro da espira, o campo magnético resultante é nulo. Então, temos B 1 = B 2 . Assim, temos que: B 1 = B 2 = 2 0µ ⋅ 1 1 i R = 2 0µ ⋅ 2 2 i R s 1 1 i R = 5 2 1 i R⋅ s 2 1 i i = 5 Alternativa d 19. (IFPE) O solenoide ou bobina longa é um dispositivo cons- tituído de um fi o condutorenrolado em forma de espiras não justapostas. Considere um solenoide de 30π cm de comprimento contendo 15 000 espiras e percorrido por uma corrente elétrica de 6 A. Sendo a permeabilidade magnética absoluta do meio existente em seu interior µ = 4π ⋅ 10–7 T ⋅ cm/A, o módulo do vetor indução mag- nética, criado pelo solenoide nessa região, vale em tesla: S N LO a) 0,12 b) 0,18 c) 0,24 d) 0,30 e) 0,45 B = n ⋅ µ ⋅ i L s B = 15 000 4 10 6 30 10 –7 –2 ⋅ ⋅ π ⋅ ⋅ ⋅ π ⋅ s B = 0,12 T Alternativa a 20. (Udesc) Considere um longo solenoide ideal composto por 10 000 espiras por metro, percorrido por uma corrente contínua de 0,2 A. O módulo e as linhas de campo mag- nético no interior do solenoide ideal são, respectivamente: a) Nulo, inexistentes. b) 8π ⋅ 10–4 T, circunferências concêntricas. c) 4π ⋅ 10–4 T, hélices cilíndricas. d) 8π ⋅ 10–3 T, radiais com origem no eixo do solenoide. e) 8π ⋅ 10–4 T, retas paralelas ao eixo do solenoide. Calculando o campo gerado pelo solenoide, temos: B = µ 0 ⋅ N L ⋅ i s B = (4 ⋅ π ⋅ 10–7) ⋅ (1000) 1 ⋅ 0,2 s B = 8 ⋅ π ⋅ 10–4 T No interior do solenoide, o campo magnético tem direção re- tilínea, paralela ao seu eixo e com sentido determinado pela regra da mão direita. Alternativa e Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 37 8/7/18 9:08 AM 38 CAPÍTULO 2 21. (ITA-SP) Uma espira circular de raio R é percorrida por uma corrente elétrica i. A uma distância 2R de seu centro encontra-se um condutor retilíneo muito longo que é percorrido por uma corrente elétrica i 1 (conforme a figura). i 1 2R i R As condições que permitem que se anule o campo de in- dução magnética no centro da espira são respectivamente: a) i i 1 = 2π e a corrente na espira no sentido horário. b) i i 1 = 2π e a corrente na espira no sentido anti-horário. c) i i 1 = π e a corrente na espira no sentido horário. d) i i 1 = π e a corrente na espira no sentido anti-horário. e) i i 1 = 2 e a corrente na espira no sentido horário. 22. (Uema) Um professor de física, para construir um eletroí- mã, montou um circuito com as seguintes características: valor da resistência R = 15 Ω, solenoide com 8π ⋅ 10–2 m de comprimento, 5 000 espiras e resistência r = 85 Ω, confor- me ilustrado: Determine o módulo do vetor indução magnética no in- terior do solenoide quando a d.d.p. for de 60 V, conside- rando µ 0 = 4π ⋅ 10–7 T ⋅ m/A. 23. Dois fi os retos, longos, paralelos e dispostos perpendicu- larmente ao plano da fi gura são percorridos por correntes elétricas saindo do plano. 2 A 5 A 40 cm Calcule a intensidade do campo de indução magnética no ponto médio do segmento que une os fi os. Os fi os estão no vácuo (4π ⋅ 10–7 T ⋅ m/A). 24. (UFRN) O galvanômetro tangente é um instrumento usado para medir o componente horizontal do campo magnético terrestre local. Esse instrumento é constituído de uma bobi- na posicionada verticalmente, no centro da qual é colocada uma bússola, orientada, inicialmente, na direção norte-sul magnético, coincidente com o plano da bobina, como ilustra a fi gura I. Com o objetivo de medir esse campo magnético, um estudante fez passar uma corrente elétrica contínua i através da bobina, gerando, assim, um campo magnético de 435 mG (miligauss), que produziu um desvio angular de 60°, na agulha da bússola, como mostra a fi gura II. O θ S N L Figura I Figura II Figura III Mão direita Campo magnético i i i i Bobina Bússola i A fi gura III representa uma indicação do mnemônico da “regra da mão direita”, usada para auxiliar na determi- nação da direção do campo magnético gerado por uma corrente que percorre um fi o. (Dados: sen 60° = cos 30° = 0,87 e sen 30° = cos 60° = 0,5) a) A partir dessas informações, e usando os pontos cardeais indicados na bússola, descreva a direção e o sentido do campo magnético gerados pela bobina quando percor- rida por uma corrente elétrica, no sentido indicado na fi gura I. b) Usando o experimento descrito, o estudante determi- nou o componente horizontal do campo magnético terrestre e encontrou o valor de 250 mG. Explique de que modo ele chegou a tal resultado. Complementares Tarefa proposta 17 a 32 Tarefa proposta 1. Suponha que um bloco de ferro é colocado nas proximidades de um ímã. Usando os conceitos sobre a força magnética, é correto afi rmar que: a) é o ímã que atrai o ferro. b) é o ferro que atrai o ímã. c) a atração do ímã pelo ferro é mais intensa que a atração do ferro pelo ímã. d) a atração do ímã pelo ferro é menos intensa que a atração do ferro pelo ímã. e) o ímã e o ferro se atraem com forças de mesma intensidade. R e p ro d u ç ã o / U e m a , 2 0 1 4 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 38 8/7/18 9:08 AM 39 FÍ S IC A 2. Os princípios do magnetismo são verifi cados em todos os ímãs. Com base neles, qual das afi rmativas a seguir está incorreta? a) Todo ímã, independentemente de seu tamanho, tem um polo norte e um polo sul. b) Quando um ímã em forma de barra pode girar livre- mente num plano horizontal, após o equilíbrio, fi ca na direção norte-sul. c) Polos de mesmo nome repelem-se e polos de nomes diferentes atraem-se. d) Ao se dividir um ímã em forma de barra em dois, te- mos dois novos ímãs. e) Existe um ímã apenas com o polo norte. 3. (Ufscar-SP) Um menino encontrou três pequenas barras homogêneas e, brincando com elas, percebeu que, de- pendendo da maneira como aproximava uma da outra, elas se atraíam ou se repeliam. Marcou cada extremo das barras com uma letra e manteve as letras sempre voltadas para cima, conforme indicado na fi gura. A B Barra 1 Barra 2 Barra 3 C D E F Passou então a fazer os seguintes testes: I. aproximou o extremo B da barra 1 com o extremo C da barra 2 e perce- beu que ocorreu atração entre elas; II. aproximou o extre- mo B da barra 1 com o extremo E da barra 3 e percebeu que ocorreu repulsão entre elas; III. aproximou o extremo D da barra 2 com o extremo E da barra 3 e percebeu que ocorreu atração entre elas. Verifi cou ainda que, nos casos em que ocorreu atração, as barras fi caram perfeitamen- te alinhadas. Considerando que, em cada extremo das barras representados por qualquer uma das letras, possa existir único polo magnético, o menino concluiu, correta- mente, que: a) as barras 1 e 2 estavam magnetizadas e a barra 3 des- magnetizada. b) as barras 1 e 3 estavam magnetizadas e a barra 2 des- magnetizada. c) as barras 2 e 3 estavam magnetizadas e a barra 1 des- magnetizada. d) as barras 1, 2 e 3 estavam magnetizadas. e) necessitaria de mais um único teste para concluir so- bre a magnetização das três barras. 4. (UFSC) A ideia de linhas de campo magnético foi introduzida pelo físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867) para explicar os efeitos e a natureza do campo magnético. Na fi gura a seguir, extraída do artigo “Pesquisas Experimen- tais em Eletricidade”, publicado em 1852, Faraday mostra a forma assumida pelas linhas de campo com o uso de limalha de ferro espalhada ao redor de uma barra magnética. Sobre campo magnético, é correto afi rmar que: (01) o vetor campo magnético em cada ponto é perpen- dicular à linha de campo magnético que passa por este ponto. (02) as linhas de campo magnético são contínuas, atra- vessando a barra magnética. (04) as linhas de campo magnético nunca se cruzam. (08) por convenção, as linhas de campo magnético “saem” do polo sul e “entram” no polo norte. (16) as regiões com menor densidade de linhas de campo magnético próximas indicam um campo magnético mais intenso. (32) quebrar um ímã em forma de barra é uma maneira simples de obter dois polos magnéticos isolados. (64) cargas elétricas em repouso não interagem com o campo magnético. Dê a soma dos números dos itens corretos. 5. (Fuvest-SP) Quatro ímãs iguais em forma de barra, com as polaridades indicadas, estão apoiados sobre uma mesahorizontal, como na fi gura, vistos de cima. Uma pequena bússola é também colocada na mesa, no ponto central P, equidistante dos ímãs, indicando a direção e o sentido do campo magnético dos ímãs em P. Não levando em conta o efeito do campo magnético terrestre, a fi gura que melhor representa a orientação da agulha da bússola é: S S P S NN S N N a) S N b) N S c) N S d) N 45° S e) N 45° S R e p ro d u ç ã o / U F S C , 2 0 1 5 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 39 8/7/18 9:08 AM 40 CAPÍTULO 2 6. (Etec-SP) Pela primeira vez, cientistas detectaram a presença de partículas de poluição que interferem no funciona- mento do cérebro, podendo inclusive ser uma das causas de Alzheimer. A conexão entre esses materiais e o mal de Alzheimer ainda não é conclusiva. Um desses materiais poluentes encontrados no cére- bro é a magnetita, um óxido de ferro que constitui um ímã natural. Disponível em: <http://tinyurl.com/hzvm3fh>. Acesso em: 30 set. 2016. (Adaptado.) Sobre o óxido citado no texto, é correto afirmar que ele apresenta: a) dois polos magnéticos: norte e sul, e ambos atraem o ferro. b) dois polos magnéticos: norte e sul, mas apenas o polo sul atrai o ferro. c) dois polos magnéticos: norte e sul, mas apenas o polo norte atrai o ferro. d) quatro polos magnéticos: norte, sul, leste e oeste, e todos atraem o ferro. e) quatro polos magnéticos: norte, sul, leste e oeste, mas apenas o norte e o sul atraem o ferro. 7. (UEPG-PR) Em relação ao campo magnético, assinale o que for correto. (01) O campo magnético num ponto, próximo a um fio longo percorrido por uma corrente elétrica contí- nua, é diretamente proporcional à intensidade da corrente e inversamente proporcional ao quadrado da distância do ponto ao fio. (02) O campo magnético no centro de uma espira circu- lar de raio R, percorrida por uma corrente elétrica contínua é nulo. (04) No interior de um solenoide longo, percorrido por uma corrente elétrica contínua, as linhas de cam- po magnético são circulares e paralelas ao plano das espiras. (08) A experiência realizada por Oersted mostrou que correntes elétricas produzem um campo magnético. (16) O funcionamento dos geradores elétricos baseia-se principalmente na lei de indução de Faraday. Dê a soma dos números dos itens corretos. 8. (UFU-MG) Três carrinhos idênticos são colocados em um trilho, porém, não se encostam, porque, na extremidade de cada um deles, conforme mostra o esquema abaixo, é acoplado um ímã, de tal forma que um de seus polos fica exposto para fora do carrinho (polaridade externa). Considerando que as polaridades externas dos ímãs (N – norte e S – sul) nos carrinhos são representadas por números, conforme o esquema a seguir, assinale a alternativa que representa a ordem correta em que os carrinhos foram organizados no trilho, de tal forma que nenhum deles encoste no outro: a) 1 – 2 – 4 – 3 – 6 – 5 b) 6 – 5 – 4 – 3 – 1 – 2 c) 3 – 4 – 6 – 5 – 2 – 1 d) 2 – 1 – 6 – 5 – 3 – 4 9. (CPS-SP) Ímãs podem ser utilizados em muitas brincadeiras. Não é a toa que há uma série de brinquedos em que figuras planas ou tridimensionais podem ser montadas uti- lizando-se ímãs. Um desses brinquedos consiste em uma grande quantidade de ímãs em formato de bastão. A figura 1 mostra o perfil de um desses ímãs sendo que a parte escurecida corresponde ao polo Norte, enquanto a parte em branco corresponde ao polo Sul. Carlos vai dispor alguns ímãs de acordo com a figura 2, de modo que eles fiquem unidos apenas pela ação da força magnética, sem a ação de atritos ou outras forças. Assinale a alternativa que apresenta corretamente uma possibilidade de arranjo dos ímãs para que Carlos consiga montar a disposição apresentada na figura 2. a) b) c) d) e) R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 5 . R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 5 . R e p ro d u ç ã o / C P S -S P, 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / C P S -S P, 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 40 8/7/18 9:08 AM 41 FÍ S IC A 10. (UEMG) Em “Você Verá”, Luiz Vilela valoriza os animais. Por exemplo, no conto “Quando fi z sete anos”, ele se lembra de uma bússola estragada, e de como voou “como um alegre pássaro da manhã”, ao ir para casa, doido para abrir o embrulho onde estava uma bússola estragada, que ganhara do avô. Mas, por que a bússola estava estragada? Alguns can- didatos aos cursos da UEMG fi zeram algumas hipóteses para responder a essa pergunta: Leonardo: um fi o solto fez com que o contato elétrico da bússola estragasse e, por isso, a bússola deixou de funcionar. Lorena: o Polo Norte da agulha da bússola apontava para o Polo Norte geográfi co, e isto estava errado, pois ele de- veria apontar para o Polo Sul geográfi co, pois um Polo Norte é atraído por um Polo Sul. Amanda: a agulha magnética poderia ter se desprendido de seu apoio, e não estava girando livremente para se orientar, segundo o campo magnético da Terra. Fez (fi zeram) comentários apropriados: a) apenas Lorena. b) Leonardo e Lorena. c) apenas Amanda. d) Leonardo e Amanda. 11. (FGV-SP) Desde tempos remotos, muito se especulou acerca da origem e, principalmente, das características do campo magnético terrestre. Recentes pesquisas, usando sondas espaciais, demonstram que o campo magnético terrestre: a) limita-se a uma região de seu entorno chamada mag- netosfera, fortemente infl uenciada pelo Sol. b) limita-se a uma região de seu entorno chamada mag- netosfera, fortemente infl uenciada pela Lua. c) é constante ao longo de toda a superfície do planeta, sofrendo forte infl uência das marés. d) é constante ao longo de toda a superfície do planeta, mas varia com o inverso do quadrado da distância ao seu centro. e) é produzido pela crosta terrestre a uma profundidade de 5 a 30 km e é fortemente infl uenciado pela tempe- ratura reinante na atmosfera. 12. (UFR-RJ) A seguir, mostramos a fi gura da Terra, em que N’ e S’ são os polos norte e sul geográfi cos e N e S são os polos norte e sul magnéticos. S N N’ S’ NN Sobre as linhas do campo magnético, é correto afi rmar que: a) elas são paralelas ao Equador. b) elas são radiais ao centro da Terra. c) elas saem do polo norte magnético e entram no polo sul magnético. d) o campo magnético é mais intenso no Equador. e) o polo sul magnético está próximo ao sul geográfi co. 13. (UFRS) Em certa localidade, a componente horizontal do cam- po magnético terrestre tem módulo B H . Uma agulha de bús- sola, que só pode se mover no plano horizontal, encontra-se alinhada com essa componente. Submetendo a bússola a ação de um campo magnético adicional, dirigido horizontalmente na direção perpendicular a BH r , a agulha assume nova posição de equilíbrio, fi cando orientada a 60° em relação à direção original. Pode-se concluir que o módulo do campo adicional é: a) B 3 H b) B 3 2 H ⋅ c) B H d) B H ⋅ 3 e) B 2 2 H ⋅ 14. (Ufac) Em laboratório, é possível medir o valor do campo magnético da Terra BT( ) r , uma vez determinada sua dire- ção. Contudo, isso não é uma tarefa fácil, uma vez que seu valor é muito pequeno em comparação ao campo magnético produzido por fontes usuais, tais como ímãs de alto-falantes, bobinas de motores ou geradores elétricos. A medição pode ser feita usando-se uma bússola colocada no centro do eixo das chamadas bobinas de Helmholtz. Nessas bobinas, é aplicada uma corrente elétrica conhecida e calibrada que gera um campo magnético mensurável e ainda perpendicular e da mesma ordem de grandeza do campo da Terra. Sendo assim, é possível calcular o valor (módulo) de BT( ) r medindo-se o ângulo (θ) entre o campo das bobinas e a resultante dos campos, a qual terá dire- ção e sentido dados pela bússola. Para ilustração, a fi gura mostra os campos produzidos pela Terra BT( ) r , pelas bobinas BH( ) r e a orientação da bússoladefinida pelo ângulo θ, na presença desses campos. Considerando o texto e a fi gura apresentada, julgue (V ou F) as afi rmações: θ Bússola B H B T I. O valor do campo magnético da Terra é dado por B H ⋅ sen θ. II. Se θ = 45°, então o valor (módulo) de BT r é igual ao de BH r . III. Se θ = 45°, então o valor de BT r é igual à metade do valor de BH r . IV. O módulo de BT r é igual ao de BH r para qualquer valor de θ. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 41 8/7/18 9:08 AM 42 CAPÍTULO 2 15. (Fuvest-SP) A fi gura adiante indica quatro bússolas que se encontram próximas a um fi o condutor, percorrido por uma intensa corrente elétrica. N S a) Represente a posição do condutor e o sentido da corrente. b) Caso a corrente cesse de fl uir, qual será a confi guração das bússolas? Faça a fi gura correspondente. 16. (PUC-MG) Dois fios condutores retilíneos cruzam-se perpendicularmente. A corrente no condutor X tem intensidade i e, no condutor Y, a corrente é 3i. Seja B o módulo do campo magnético criado pela corrente de X, no ponto P. i3i xy d d P O módulo do campo magnético resultante no ponto P é: a) zero b) B c) 2B d) B 2 e) B 3 17. (EsPCEx-SP) Dois fi os condutores retilíneos, muito longos e paralelos entre si, são percorridos por correntes elétricas de intensidade distintas, i 1 e i 2 de sentidos opostos. Uma espira circular condutora de raio R é colocada entre os dois fi os e é percorrida por uma corrente elétrica i. A espira e os fi os estão no mesmo plano. O centro da es- pira dista de 3R de cada fi o, conforme o desenho abaixo. Para que o vetor campo magnético resultante, no centro da espira, seja nulo, a intensidade da corrente elétrica i e seu sentido, tomando como referência o desenho, são respectivamente: a) i i 3 1 2+ e horário b) i – i 3 1 2 π e anti-horário c) i – i 3 1 2 π e horário d) i i 3 1 2+ π e horário e) i i 3 1 2+ π e anti-horário 18. (Fuvest) As fi guras representam arranjos de fi os longos, retilíneos, paralelos e percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade. Os fi os estão orientados perpen- dicularmente ao plano desta página e dispostos segundo os vértices de um quadrado. A única diferença entre os arranjos está no sentido das correntes: os fi os são percor- ridos por correntes que entram ⊗ ou saem e do plano da página. O campo magnético total é nulo no centro do quadrado apenas em: a) I b) II c) I e II d) II e III e) III e IV 19. (PUC-SP) A fi gura representa dois fi os condutores retilíneos e muito compridos, paralelos e percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade (i F ) porém, de sentidos contrários. Entre os fi os há uma espira circular de raio R percorrida por uma corrente elétrica de intensidade (i E ). Determine a razão i i F E e o sentido da corrente elétrica na espira circular para que o campo de indução magnética resultante no centro da espira seja nulo. Os fi os condutores e a espira circular estão situados no mesmo plano. R e p ro d u ç ã o / P U C -S P, 2 0 1 5 . R e p ro d u ç ã o / F u v e s t, 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / E s P C E x- S P, 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 42 8/7/18 9:08 AM 43 FÍ S IC A a) π e o sentido da corrente na espira deve ser anti-horário. b) π e o sentido da corrente na espira deve ser horário. c) 1,5 π e o sentido da corrente na espira deve ser horário. d) 1,5 π e o sentido da corrente na espira deve ser anti-horário. 20. (UEL-PR) Numa sala de aula foram montados dois condu- tores verticais, C 1 e C 2 , que suportam as correntes elétri- cas ascendentes de 3,0 e 4,0 ampères, respectivamente. Essas correntes elétricas geram campo magnético na região e, em particular, num ponto P situado no centro da sala. O esquema a seguir indica a posição relativa dos condutores e do ponto P na sala de aula (vista de cima). Nessas condições, o vetor indução magnética no ponto P é: a) horizontal e dirigido para o fundo da sala. b) horizontal e dirigido para o quadro-negro. c) horizontal e paralelo ao quadro-negro. d) vertical e dirigido para baixo. e) vertical e dirigido para cima. 21. (PUC-RS) Em cada uma das fi guras está representado um fi o conduzindo uma corrente elétrica i e algumas linhas de indução do campo magnético produzido pela corrente. Os sinais ⊗ e e signifi cam, respectivamente, linhas de indução entrando e saindo da folha, do ponto de vista de quem olha para a folha. i i Figura I B B i Figura II B B O campo magnético está corretamente representado: a) somente na fi gura I. b) nas fi guras I e II. c) somente na fi gura II. d) somente na fi gura III. e) nas fi guras II e III. 22. (UFU-MG) Considere o elétron (–e), em um átomo de hidro- gênio, como sendo uma massa pontual, girando, no plano da folha, em uma órbita circular, como mostra a fi gura. Ðe O vetor campo magnético criado no centro da circunfe- rência por esse elétron é representado por: a) ⊗ b) → c) e d) ← e) ↑ 23. (PUC-RS) Para uma espira circular condutora, percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i, é registrado um campo magnético de intensidade B no seu centro. Alterando-se a intensidade da corrente elétrica na espira para um novo valor i fi nal, observa-se que o módulo do campo magnético, no mesmo ponto, assumirá o valor 5B. Qual é a razão entre as intensidades das correntes elétri- cas fi nal e inicial i i final ? a) 1 5 b) 1 25 c) 5 d) 10 e) 25 24. (UnB-DF) A invenção do amperímetro-alicate possibili- tou a medição de correntes elétricas sem a necessidade de interromper os circuitos. Conforme ilustra a fi gura a seguir, as partes magnéticas móveis do instrumento fecham-se ao redor do fi o percorrido pela corrente i que se deseja medir. i Indicador de corrente A corrente i gera um campo magnético B, percebido pelo instrumento, igual a 1,6 ⋅ 10–6 ⋅ i, em tesla. Esse campo magnético induz uma tensão elétrica V no instrumento igual a 500 ⋅ B, em volts. Uma vez registrado o valor de V, o instrumento indica, em uma escala graduada em ampè- res, o valor medido da corrente. Considerando que o amperímetro-alicate registre uma tensão de 50 mV, calcule, em ampères, a corrente i. R e p ro d u ç ã o / U E L- P R . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 43 8/7/18 9:08 AM 44 CAPÍTULO 2 25. (Escola Naval-RJ) Analise a figura abaixo. Um instrumento denominado amperímetro de alicate é capaz de medir a corrente elétrica em um ou mais condu- tores apenas os envolvendo com suas garras (ver figura). Quando essas são fechadas, o campo magnético produ- zido pelas correntes envolvidas pode ser medido por um sensor. Considere que dois condutores retilíneos, muito próximos um do outro atravessam o centro da área circu- lar, de raio R, entre as garras do medidor. Sendo assim, o campo magnético medido pelo sensor será: a) zero, se as correntes nos fios forem de mesmo módulo I e tiverem sentidos contrários. b) I R 0 2 µ π se as correntes forem de mesmo módulo I e tive- rem o mesmo sentido. c) I 2 R 0µ π , se as correntes forem de mesmo módulo I e tive- rem o mesmo sentido. d) I 4 R 0µ π , se as correntes forem de mesmo módulo I e tive- rem sentidos contrários. e) sempre zero. 26. +Enem [H21] A figura a seguir mostra uma pequena chapa metálica imantada que flutua sobre a água de um recipiente. Um fio elétrico está colocado sobre esse recipiente. S N O fio passa, então, a conduzir uma intensa corrente elé- trica contínua, no sentido da esquerda para a direita. A alternativa que melhor representa a posição da chapa metálica imantada, após certo tempo, é: a) S N b) i SN c) i S N d) i S N e) S N 27. (ITA-SP) Uma espira circular de raio R é percorrida por uma corrente elétrica i criando um campo magnético. Em seguida, no mesmoplano da espira, mas em lados opostos, a uma distância 2R do seu centro colocam-se dois fios condutores retilíneos, muito longos e paralelos entre si, percorridos por correntes i 1 e i 2 não nulas, de sentidos opostos, como indicado na figura. O valor de i e o seu sen- tido para que o módulo do campo de indução resultante no centro da espira não se altere são respectivamente: i 1 i 2 2R 2R R i a) i = 1 2π ⋅ (i 1 + i 2 ) e horário. b) i = 1 2π ⋅ (i 1 + i 2 ) e anti-horário. c) i = 1 4π ⋅ (i 1 + i 2 ) e horário. d) i = 1 4π ⋅ (i 1 + i 2 ) e anti-horário. e) i = 1 π ⋅ (i 1 + i 2 ) e horário. Textos para a pr—xima quest‹o: Custo e manutenção dos aparelhos de imagem encarecem exames É inegável que a evolução da medicina diagnóstica per- mitiu avanços sem precedentes na prevenção e tratamen- to de vários tipos de doenças. Se por um lado a tecnologia propiciou �delidade cada vez maior nas imagens obtidas do interior do corpo humano, por outro ela também co- bra o seu preço. Um exame de ressonância magnética, por exemplo, pode chegar a R$ 1 200,00 em média, se for feito sem material para contraste, e R$ 1 800,00 se essa substân- cia para contraste for utilizada. Disponível em: <http://ressonanciamagnetica.cepem.med.br/>. A ressonância nuclear magnética, ou simplesmente res- sonância magnética, é um método de diagnóstico por ima- gem que usa ondas de radiofrequência e um forte campo magnético para obter informações detalhadas dos órgãos e tecidos internos do corpo, sem a utilização de radiação ioni- zante. Esta técnica provou ser muito valiosa para o diagnós- tico de uma ampla gama de condições clínicas em todas as partes do corpo. O aparelho em que o exame é feito consta de um tubo circundado por um grande eletroímã, no in- terior do qual é produzido um potente campo magnético. R e p ro d u ç ã o / I T A -S P. R e p ro d u ç ã o / E s c o la N a v a l- R J . Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 44 8/7/18 9:08 AM 45 FÍ S IC A 30. (FGV-SP) As fi guras representam dois exemplos de sole- noides, dispositivos que consistem em um fi o condutor enrolado. Tal enrolamento pode se dar em torno de um núcleo feito de algum material ou, simplesmente, no ar. Cada volta de fi o é denominada espira. <labdemo.if.usp.br>. A passagem de uma corrente elétrica através desse fi o cria, no interior do solenoide, um campo magnético cuja intensidade: a) é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente elétrica e ao comprimento do solenoide. b) é diretamente proporcional à densidade das espi- ras, ou seja, ao número de espiras por unidade de comprimento. c) é diretamente proporcional ao número total de espiras do solenoide e ao seu comprimento. d) independe da distância entre as espiras, mas depende do material de que é feito o núcleo. e) é a maior possível quando o material componente do núcleo é diamagnético ou paramagnético. 31. (UFBA) Um estudante deseja medir o campo magnético da Terra no local onde ele mora. Ele sabe que está em uma região do planeta por onde passa a linha do Equador e que, nesse caso, as linhas do campo magnético terrestre são paralelas à superfície da Terra. Assim, ele constrói um solenoide com 300 espiras por unidade de comprimento, dentro do qual coloca uma pequena bússola. O solenoide e a bússola são posicionados em um plano paralelo à superfície da Terra de modo que, quando o interruptor está aberto, a direção da agulha da bússola forma um ângulo de 90° com o eixo do solenoide. Ao se fechar o circuito, o amperímetro registra uma corrente de 100,0 mA e observa-se que a defl exão resultante na bússola é igual a 62°. A partir desse resultado, determine o valor do cam- po magnético da Terra. (Dados: µ 0 = 1,26 ⋅ 10– 6 T ⋅ m/A; sen 62° = 0,88; cos 62° = 0,47; tg 62° = 1,87) A Solenoide, corte longitudinal S N LO Na técnica de ressonância magnética aplicada à me- dicina trabalha-se principalmente com as propriedades magnéticas do núcleo de hidrogênio, que é o menor nú- cleo que existe e consta de apenas um próton. O paciente a ser examinado é colocado dentro de um campo magnético intenso, o qual pode variar de 0,2 a 3,0 teslas, dependendo do aparelho. Esse campo magné- tico externo é gerado pela elevada intensidade de corrente elétrica circulando por uma bobina supercondutora que precisa ser continuamente refrigerada a uma temperatura de 4 K (Kelvin), por meio de hélio líquido, a � m de manter as características supercondutoras do magneto. Disponível em: <www.famerp.br/projis/ grp25/ressonancia.html>. (Adaptado.) Um dos motivos para os altos valores cobrados por exames de imagem so� sticados é o alto custo desses apa- relhos, dos custos de instalação e manutenção do equipa- mento, além da exigência de mão de obra extremamente quali� cada para operá-los. Um equipamento de ressonância magnética, por exem- plo, pode custar de US$ 2 milhões a US$ 3,5 milhões, de- pendendo da sua capacidade. Além disso, há um adicional anual de cerca de R$ 2 milhões em manutenção, incluin- do o custeio de procedimentos para arrefecer as bobinas magnéticas da máquina. Disponível em: <http://glo.bo/19JB2sB>. (Adaptado.) 28. (Albert Einstein) Nas proximidades da superfície da Terra, a intensidade média do campo magnético é de 5 ⋅ 10–5 T e, conforme o texto informa, a intensidade do campo magnético produzido por alguns aparelhos de ressonância magnética pode chegar a 3 T. Considere, por hipótese, esses campos magnéticos uniformes e produzidos por duas bobinas chatas distintas, de raios iguais a 1 m para o aparelho e R T (raio da Terra) para a bobina da Terra; cada uma delas composta por espiras justapostas; percorridas pela mesma intensidade de corrente elétrica e mesma per- meabilidade magnética do meio. Determine a razão N N Terra aparelho entre o número de espiras das bobinas chatas da Terra e do aparelho, respectivamente. Para simplifi car os cálculos, adote o raio da Terra igual a 6 000 km. 29. (Enem) Um guindaste eletromagnético de um ferro-velho é capaz de levantar toneladas de sucata, dependendo da intensidade da indução em seu eletroímã. O eletroímã é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, sendo geralmente construído enrolan- do-se um fi o condutor ao redor de um núcleo de material ferromagnético (ferro, aço, níquel, cobalto). Para aumentar a capacidade de carga do guindaste, qual característica do eletroímã pode ser reduzida? a) Diâmetro do fi o condutor. b) Distância entre as espiras. c) Densidade linear de espiras. d) Corrente que circula pelo fi o. e) Permeabilidade relativa do núcleo. R e p ro d u ç ã o / F G V -S P, 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 45 8/7/18 9:08 AM 46 CAPÍTULO 2 32. (Vunesp) A �gura é o esquema simpli�cado de um disjuntor termomagnético utilizado para a proteção de instalações elétricas residenciais. O circuito é formado por um resistor de baixa resistência R; uma lâmina bimetálica L, composta pelos me- tais X e Y; um eletroímã E; e um par de contatos C. Esse par de contatos tende a abrir pela ação da mola M 2 , mas o braço atuador A impede, com ajuda da mola M 1 . O eletroímã E é dimensionado para atrair a extremidade do atuador A somente em caso de corrente muito alta (curto-circuito) e, nessa situação, A gira no sentido indicado, liberando a abertura do par de contatos C pela ação de M 2 . E A R Corrente elétrica Esquerda Direita C M 2 M 1 L X Y De forma similar, R e L são dimensionados para que esta última não toque a extremidade de A quando o circuito é per- corrido por uma corrente até o valor nominal do disjuntor. Acima desta, o aquecimento leva o bimetal a tocar o atuador A, interrompendo o circuito de forma idêntica à do eletroímã. Disponível em: <www.mspc.eng.br>.(Adaptado.) Na condição de uma corrente elevada percorrer o disjuntor no sentido indicado na figura, sendo α X e α Y os coeficientes de dilatação linear dos metais X e Y, para que o contato C seja desfeito, deve valer a relação __________ e, nesse caso, o vetor que representa o campo magnético criado ao longo do eixo do eletroímã apontará para a__________. a) α X , α Y , esquerda b) α X . α Y , esquerda c) α X . α Y , direita d) α X = α Y , direita e) α X , α Y , direita Vá em frente Acesse <https://tvescola.org.br/tve/video/revelacoeserevolucoes>. Acesso em: 24 mar. 2018. O vídeo apresenta a história da eletricidade e explica como ela conectou o mundo por meio da radiodifusão e da rede de computadores. Autoavaliação: Vá até a página 103 e avalie seu desempenho neste capítulo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c02_24a46.indd 46 8/7/18 9:08 AM ► Analisar o comportamento de partículas elétricas no interior de campos magnéticos e elétricos combinados. ► Identifi car, pelas regras da mão direita e esquerda, a orientação de forças e campos magnéticos, bem como o sentido de correntes elétricas induzidas. ► Compreender o funcionamento dos transformadores de tensão e suas aplicações. ► Identifi car as consequências da variação de fl uxo magnético no interior de espiras. ► Compreender como a variação de fl uxo magnético promove a geração de corrente elétrica induzida. Principais conceitos que você vai aprender: ► Vetor indução magnética ► Corrente elétrica induzida ► Força eletromotriz induzida ► Força magnética ► Regra da mão esquerda ► Transformadores de tensão ► No infográfi co das páginas 58 e 59, discutimos os processos históricos envolvidos na compreensão do eletromagnetismo, além de mostrarmos no que consistiu o experimento de Faraday. 47 OBJETIVOS DO CAPÍTULO FÍ SI CA S hutterS to ckS tu d io /S h u tte rsto ck 3 FORÇA E INDUÇÃO MAGNÉTICA Os aceleradores de partículas têm como função acelerar partículas e promover colisões entre elas. Utilizados pelos físicos, para fi ns experimentais, desde 1927, esses aparelhos levam anos para serem construídos e para que os primeiros experimentos possam ser realizados. Para esse processo de aceleração, são utilizados eletroímãs de dipolo e quadrupolo, que produzem campos extremamente intensos. Quando as partículas são liberadas nos túneis, interagem com os campos magnéticos produzidos e, com a ação de forças magné- ticas, vão adquirindo, a cada segmento, velocidades cada vez mais próximas da velocida- de da luz. Posteriormente, sofrem colisões que geram inúmeras outras partículas catalo- gadas pelos físicos. Concepção artística de instantes após a colisão de partículas num acelerador linear. Os traços representam a trajetória de partículas resultantes da colisão. Uma das maiores criações históricas da engenharia é o LHC (Large Hadron Colider), um gigantesco acelerador de partículas, com 27 km de circunferência, construído na fronteira entre a França e a Suíça. Ele é capaz de acelerar partículas, como prótons, a uma velocidade próxima à da luz e fazê-las colidir entre si, fragmentando-as. Após o impacto, as partículas fragmentadas são detectadas por um campo magnético em que elas executam diferentes movimentos circulares, espirais, entre outros. A partir das trajetórias descritas, podem-se estimar as propriedades físicas, como massa e carga, dessas partículas. • Você é capaz de determinar se após essas colisões podem ser encontradas partículas ainda desconhecidas? Neste capítulo, estudaremos como partículas carregadas, sofrem a infl uência de for- ças magnéticas quando imersas em campos magnéticos. Analisaremos também os tipos de trajetória que seguem após interagirem com os campos. A Física tem um verdadeiro “zooló- gico” de partículas e, muitas delas foram detectadas e, em seguida, desapareceram, como o Bóson de Higgs. Há inúmeras partículas que ainda não foram detectadas e exis- tem somente na teoria, o gráviton é um exemplo. g e n e ra l- fm v /S h u tt e rs to ck Professor, aproveite o momento para trabalhar com a habilidade 21 da matriz curricular do Enem, que con- siste em: “Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e(ou) do eletromagnetismo.” Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 47 8/7/18 9:07 AM 48 CAPÍTULO 3 Força magnética sobre carga elétrica Já aprendemos que uma carga elétrica q, ao ser colocada em uma região de um campo elétrico E r , sofre a ação de uma força elétrica F r dada por: F r = q ⋅ E r Várias experiências de cientistas do século XIX mostraram que uma carga elétrica, quando em movimento, numa região que tem um campo magnético, sofre a ação de uma força magnética. Considere uma carga elétrica q . 0 que se move com velocidade v r em uma região em que existe um campo magnético. Ao passar por um ponto em que o vetor indução magnética tem intensidade B r , a carga sofre a ação de uma força magnética F mag. r , como mostra a fi gura. B vq . 0 θ F mag. A força magnética F mag. r é perpendicular aos vetores indução magnética B r e velocidade v r , ou seja, ela é perpendicular ao plano defi nido por v r e B r . Já o sentido da força magnética de- pende do sinal da carga elétrica. No exemplo dado, no qual q . 0, o sentido da força magnética é dado pela regra da mão esquerda, como mostra a fi gura. Quando a carga elétrica é negativa, o sentido da força é o oposto ao determinado por essa regra. B v F mag. A intensidade da força magnética é dada por: F mag. r = |q| ⋅ v ⋅ B ⋅ sen θ em que θ é o ângulo entre o vetor velocidade v r e o vetor indução magnética B r . H o m e A rt /S h u tt e rs to c k Nos monitores de tubo, um feixe de elétrons é defl etido pelos campos magnéticos e atinge a tela para formar as imagens. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 48 8/7/18 9:07 AM 49 FÍ S IC A Movimento de carga elétrica em campo magnético uniforme As leis de Newton permitem descrever o movimento de um objeto, se soubermos quais forças atuam sobre ele. Vamos, então, aplicar as leis de Newton para descrever o movimento de uma partícula que se move sob a ação exclusiva de um campo mag- nético uniforme. Carga elétrica em movimento paralelo às linhas de indução Imagine que a carga elétrica q seja lançada paralelamente às linhas de indução mag- nética, como mostra a fi gura. B v Neste caso, o ângulo θ entre v r e B r é 0° (ou 180°). Com isso, a carga não sofre força magnética e, pela lei da inércia, ela mantém velocidade constante em trajetória retilí- nea (MRU). Carga elétrica em movimento perpendicular às linhas de indução Considere agora que a carga q seja lançada perpendicularmente às linhas de indução magnética, como mostra a fi gura. v B q . 0 B v F mag. Neste caso, a força magnética atua como força centrípeta e na ausência de outras for- ças, a carga elétrica executa um movimento circular uniforme (MCU) num plano perpen- dicular às linhas de indução magnética. Aplicando-se a segunda lei de Newton, é possível determinar o raio R da trajetória em função da massa m, da velocidade v, da carga elétrica q e do campo magnética B, por: F mag. = m ⋅ a c s |q| ⋅ v ⋅ B ⋅ sen 90° = m v R 2⋅ s R = m v q B| |q B| |q B m v⋅m v q B⋅q B Para empregarmos essa equação no SI, devemos adotar as unidades mostradas na tabela. Grandeza Unidade (SI) R m (metro) m kg (quilograma) v m/s (metros/segundo) q C (coulomb) B T (tesla) Também é possível determinar o período (T) do MCU. Lembrando que v = s t ∆ ∆ = R T 2π ⋅ , temos: v = T 2π ⋅ m v q B| | ⋅ ⋅ s T = m q B 2 | |q B| |q B π ⋅ q B⋅q B Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 49 8/7/18 9:07 AM 50 CAPÍTULO 3 Carga elétrica lançada obliquamente em relação às linhas de indução Vamos considerar que a carga elétricaq seja lançada inclinada, formando um ângulo θ com as linhas de indução magnética, conforme a fi gura. θ B v Nesse caso, devemos fazer uma composição de movimentos, decompondo a velocida- de v r em dois eixos, um paralelo às linhas de indução (eixo x) e outro perpendicular às li- nhas de indução (eixo y), como mostra a fi gura A, a seguir. Com isso, teremos um movimen- to retilíneo uniforme (MRU) na direção das linhas de indução e um movimento circular uniforme (MCU) num plano perpendicular às linhas de indução que, aos serem compostos, geram um movimento helicoidal (hélice cilíndrica), como mostra a fi gura B. v v x v y B θ v B d Sendo v x = v ⋅ cos θ e v y = v ⋅ sen θ, o raio da hélice cilíndrica do movimento helicoidal é dado por: R = m v q B sen | | ⋅ ⋅ θ ⋅ Já o passo da hélice, que corresponde à distância ao longo do eixo x que a partícula percorre a cada ciclo, é dado por: d = m v q B 2 cos | | π ⋅ ⋅ ⋅ θ ⋅ Força magnética sobre corrente elétrica Considere um fi o reto de comprimento L, imerso em um campo magnético uniforme B r , sendo percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i. O fi o sofre uma força mag- nética F mag. r perpendicular ao plano que contém o fi o, e o vetor indução magnética B r e o sentido são dados pela regra da m‹o esquerda, como mostra a fi gura. θ i i L B B F mag. F mag. A intensidade da força magnética no fi o pode ser indicada pela equação que determi- na a força magnética sobre as cargas elétricas: F mag. = |∆q| ⋅ v ⋅ B ⋅ sen θ Lembrando que v = s t ∆ ∆ , temos: F mag. = |∆q| ⋅ s t ∆ ∆ ⋅ B ⋅ sen θ A B Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 50 8/7/18 9:07 AM 51 FÍ S IC A Por sua vez, temos que i = q t ∆ ∆ e ∆s = L. Substituindo, fi ca- mos com: F mag. = i ⋅ L ⋅ B ⋅ sen θ em que θ é o ângulo entre a direção do fi o, no sentido da corren- te elétrica, e o vetor indução magnética B r . A força magnética sobre a corrente elétrica tem muitas aplicações tecnológicas, entre elas os motores elétricos. Um fi o percorrido por uma corrente elétrica e imerso num campo magnético sofre a ação de forças magnéticas, fenômeno-base para os motores elétricos. Força entre fi os paralelos Vamos considerar dois fi os longos, próximos um do outro e ambos percorridos por correntes elétricas. Nesse caso, um fi o estará dentro da região do campo magnético cria- do pelo outro fi o, e vice-versa. Os dois fi os poderão fi car submetidos a forças magnéticas. Somente podemos calcular a força magnética atuante em cada fi o se eles forem longos e paralelos. Sendo L o comprimento dos fios no trecho em que forem paralelos, i 1 e i 2 as intensidades das correntes elétricas que percorrem os fios e d a distância entre eles, temos: i2 i1 d F2, 1 F1, 2 B1 B2 O campo que o fi o 1 cria na região do fi o 2, B 1 r , faz com que apareça uma força magnética no fi o 2 (regra da mão esquerda), e vice-versa. As forças trocadas pelos fi os formam um par de ação e reação: F 1,2 = F 2,1 = F e F 1,2 = B 1 ⋅ L ⋅ i 2 ⋅ sen 90° Como B 1 = i d2 1 µ⋅ π ⋅ , temos: F 1,2 = i d2 1 µ⋅ π ⋅ ⋅ L ⋅ i 2 ⋅ 1 s F = i i d2 1 2 i i 1 2 i i Lµ⋅ ⋅ ⋅i i⋅ ⋅i i π ⋅ Usando a regra da mão direita para marcarmos os campos magnéticos e usando a re- gra da mão esquerda para marcarmos as forças magnéticas, vimos que, para correntes elétricas de sentidos iguais, o par de forças trocadas entre os fi os é de atração. Para correntes de sentidos contrários, usando as regras da mão direita e da mão es- querda, as forças magnéticas são de repulsão. F2, 1 F1, 2 d B2 B1 i2 i1 Assim: i 1 e i 2 no mesmo sentido s fi os se atraem. i 1 e i 2 no sentido contrário s fi os se repelem. O le k s a n d r K o s ti u c h e n k o /S h u tt e rs to c k Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 51 8/7/18 9:07 AM 52 CAPÍTULO 3 1. +Enem [H21] A fi gura mostra um elétron entrando perpendicularmente às linhas em uma região de campo magnético uniforme. v B A trajetória descrita por esse elétron é: a) retilínea. b) parabólica, desviando-se para cima. c) parabólica, desviando-se para baixo. d) circular, desviando-se para cima. e) circular, desviando-se para baixo. A carga está sendo lançada perpendicular às linhas de campo. Usando a regra da mão esquerda, o elétron (carga negativa) vai se desviar para baixo. Alternativa e 2. (UEG-GO) A fi gura a seguir descreve uma região do espaço que contém um vetor campo elétrico E r e um vetor campo magnético B r . Mediante um ajuste, percebe-se que, quando os campos elétricos e magnéticos assumem valores de 1,0 ⋅ 103 N/C e 2,0 ⋅ 10–2 T, respectivamente, um íon positivo, de massa desprezível, atravessa os campos em linha reta. A veloci- dade desse íon, em m/s, foi de: a) 5,0 ⋅ 104 b) 1,0 ⋅ 105 c) 2,0 ⋅ 103 d) 3,0 ⋅ 103 e) 1,0 ⋅ 104 Analisando a � gura, podemos veri� car que o íon positivo percorre a região entre as placas sem sofrer desvios, então temos que: F E = F m . Assim, temos: F E = F m s E ⋅ q = B ⋅ v ⋅ q ⋅ sen 90° s v = E B = 1 10 2 10 3 –2 ⋅ ⋅ s s v = 5 ⋅ 104 m/s Alternativa a 3. (UEG-GO) Um feixe de elétrons, com velocidade v, de carga e massa individuais q e m, respectivamente, é emitido na direção y, conforme a fi gura a seguir. Perpendicularmente ao feixe de elétrons, entrando no plano da página, está um campo magnético de intensidade B, representado pelos x na fi gura. Inicialmente, o campo magnético está desligado e o feixe segue paralelo ao eixo y. y B Canhão de elétrons x Quando o campo magnético B é ligado: a) a trajetória do feixe continua retilínea e é fortemente perturbada pelo campo magnético. b) a trajetória do feixe continua retilínea e os elétrons são perturbados levemente pelo campo magnético. c) o feixe de elétrons descreve uma trajetória circular, cujo raio é dado por R = ⋅ ⋅ | | m v B q . d) os elétrons movimentam-se paralelamente ao campo magnético, após descreverem uma trajetória circular de raio R = ⋅ ⋅ | | m v B q . Quando ligado o campo magnético, os elétrons sofrem a ação da força centrípeta, levando-os a descrever uma trajetória cir- cular. Igualando a força magnética com a força centrípeta, te- mos que o raio é de: F mag. = F cent. ∆ |q| ⋅ v ⋅ B = m ⋅ 2v R s R = | | m v q B ⋅ ⋅ Alternativa c 4. (EsPCEx-SP) Uma carga elétrica puntiforme, no interior de um campo magnético uniforme e constante, dependendo de suas condições cinemáticas, pode fi car sujeita à ação de uma força magnética. Sobre essa força pode-se afi rmar que: a) tem a mesma direção do campo magnético, se a carga elétrica tiver velocidade perpendicular a ele. b) é nula se a carga elétrica estiver em repouso. c) tem máxima intensidade se o campo magnético e a velocidade da carga elétrica forem paralelos. d) é nula se o campo magnético e a velocidade da carga elétrica forem perpendiculares. e) tem a mesma direção da velocidade da carga elétrica. A equação da força magnética é dada por: F m = q ⋅ v ⋅ B ⋅ sen θ Se a carga estiver em repouso, a velocidade será nula e, por consequência matemática, a força magnética também. Alternativa b Atividades R e p ro d u çã o / U E G -G O , 2 01 8 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 52 8/7/18 9:07 AM 53 FÍ S IC A 5. (UPE) A fi gura mostra um segmento de um condutor na for- ma de um “L” de comprimento 7 cm, por onde circula uma corrente elétrica de 100 A. O condutor está numa região do espaço onde existe um campo magnético de módulo 5,0 T, perpendicular à página e entrando nela (ver fi gura). i i x y 4,0 cm 3,0 cm Calcule o módulo da força magnética resultante que atua no condutor e assinale a alternativa correspondente. a) 5 N b) 15 N c) 20 N d) 25 N e) 35 N As forças magnéticas 1F r e 2F r nos trechos do fi o paralelo aos eixos x e y são representadas na fi gura (regra da mão esquerda).B F 1 F 2 i i Intensidade F 1 da força magnética sobre o trecho do fi o para- lelo ao eixo x. F 1 = i · L 1 · B · sen 90° s F 1 = 100 · 0,04 · 5 · 1 s F 1 = 20 N Intensidade F 2 da força magnética sobre o trecho do fi o para- lelo ao eixo y. F 2 = i ∙ L 2 · B · sen 90° s F 2 = 100 · 0,03 · 5 · 1 s F 2 = 15 N Como as forças são perpendiculares entre si, a intensidade da força magnética resultante sobre o fi o será dada por: R 2F = 1 2F + 2 2F s 2FR = 202 + 152 = 400 + 225 s F R = 625 s s F R = 25 N Alternativa d 6. (Uerj) A força magnética que atua em uma partícula elé- trica é expressa pela seguinte fórmula: F = q ⋅ v ⋅ B ⋅ sen θ. • q – carga elétrica da partícula • v – velocidade da partícula • B – campo magnético • θ – ângulo entre a velocidade da partícula e o cam- po magnético Admita quatro partículas elétricas idênticas, P 1 , P 2 , P 3 e P 4 , penetrando com velocidades de mesmo módulo em um campo magnético uniforme B r conforme ilustra o esquema. Nesse caso, a partícula em que a força magnética atua com maior intensidade é: a) P 1 b) P 2 c) P 3 d) P 4 A maior intensidade da força magnética, ocorrerá quando o ângulo entre a força e o campo magnético for de 90º. Assim, F = q ⋅ v ⋅ B ⋅ sen θ, com θ = 90°, teremos sen θ = 1. Dessa forma, a força será dada por: F = q ⋅ v ⋅ B Alternativa c 7. (UPM-SP) Uma partícula eletrizada positivamente, de massa despre- zível, penetra na região do espaço onde existe um campo elétrico uniforme de intensidade 1,0 ⋅ 105 N C , orienta- do verticalmente para baixo, conforme a fi gura acima. A partícula descreve uma trajetória retilínea, pela presen- ça de um campo magnético uniforme B r , de intensidade 4,0 ⋅ 103 T, perpendicular ao campo elétrico e de sentido entrando no plano do papel. A intensidade da velocidade da partícula é, em m s : a) 40 b) 35 c) 30 d) 25 e) 20 Igualando as força elétrica e magnética, temos: F e = F m s q ⋅ E = q ⋅ v ⋅ B s E = v ⋅ B s v = E B s v = 1,0 10 4,0 10 5 3 ⋅ ⋅ s v = 0,25 ⋅ 105 ⋅ 103 = 25 m/s Alternativa d R e p ro d u ç ã o / U e rj , 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / U P M -S P. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 53 8/7/18 9:07 AM 54 CAPÍTULO 3 8. (UEPB) Leia o texto. Uma campainha elétrica é um dispositivo constituído por um interruptor, um eletroímã, uma armadura (A), um martelo (M), uma campânula (S) e um gerador de corrente contínua ou alternada. A armadura (A) do eletroímã pos- sui um martelo (M) e está presa a um eixo (O) por meio de uma lâmina elástica (L). Ao apertarmos o interruptor, fechamos o circuito. [...] –+ Eletro’m‹ SM A C L O RAMALHO JUNIOR, F. Os fundamentos da física. São Paulo: Moderna, 2003. (Adaptado.) Funcionamento de uma campainha elétrica. Acerca do assunto tratado no texto, que descreve o fun- cionamento de uma campainha elétrica e seu respectivo circuito, identifi que, nas proposições a seguir, a(s) que se refere(m) ao que ocorre quando o interruptor é acionado. I. Uma extremidade do eletroímã fi ca carregada positi- vamente, atraindo a armadura. II. A corrente elétrica gera um campo magnético na bo- bina (eletroímã), que atrai a armadura. III. A corrente elétrica gera um campo magnético no eletroí- mã e outro na armadura, que se atraem mutuamente. Após a análise, apenas é (são) verdadeira(s): a) I b) I e II c) I e III d) II e) II e III Acionando o interruptor, fechamos o circuito e uma corrente elétrica percorre o eletroímã, gerando um campo magnético. A lâmina elástica (L), que contém a armadura (A), sendo per- corrida por uma corrente elétrica e imersa no campo mag- nético do eletroímã, sofre a ação de uma força magnética e se movimenta para a direita, fazendo com que o martelo (M) bata na campânula (S). Esse deslocamento da armadura interrompe o circuito e ela volta à posição inicial. Enquanto mantivermos o interruptor pressionado, o processo se repete. Assim, das três a� rmativas, somente a II é correta. Alternativa d Complementares Tarefa proposta 1 a 16 9. (UEG-GO) Uma partícula de 9,0 ⋅ 10–30 kg carregada com carga elétrica de 1,0 ⋅ 10–16 C penetra perpendicularmente em um campo magnético uniforme de 1,0 ⋅ 10–6 T, quando sua velocidade está em 1,0 ⋅ 106 m/s. Ao entrar no campo magnético, a carga passa a descrever um círculo. O raio desse círculo, em metros, é: a) 9,0 ⋅ 100 b) 9,0 ⋅ 101 c) 9,0 ⋅ 10–1 d) 9,0 ⋅ 10–2 10. Um fi o de comprimento 30 cm faz um ângulo de 30° com as linhas de um campo de indução magnética de intensidade 5 T. O fi o é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade 4 A. Calcule a intensidade da força magnética que o fi o recebe. 11. (EEAR-SP) Dois condutores paralelos extensos são percor- ridos por correntes de intensidade i 1 = 3 A e i 2 = 7 A. Sabendo-se que a distância entre os centros dos dois con- dutores é de 15 cm qual a intensidade da força magnética por unidade de comprimento entre eles, em µ N/m? Adote: µ 0 = 4π ⋅ 10–7 ⋅ T m A ⋅ a) 56 b) 42 c) 28 d) 14 12. (UFPR) Uma experiência interessante, que permite deter- minar a velocidade v r com que partículas elementares se movem, consiste em usar um campo magnético B r em combinação com um campo elétrico E r . Uma partícula elementar com carga Q negativa move-se com velocida- de v r paralelamente ao plano do papel (referencial inercial) e entra em uma região onde há um campo magnético B r uniforme, constante e orientado para dentro do plano do papel, como mostra a fi gura. Ao se deslocar na região do campo magnético, a partícula fi ca sujeita a uma força magnética F mag. r . a) Obtenha uma expressão literal para o módulo de F mag. r e represente na fi gura o vetor F mag. r para a posição indi- cada da partícula. Bv Q b) Dispõe-se de um sistema que pode gerar um campo elé- trico E r uniforme, constante e paralelo ao plano do pa- pel, que produz uma força elétrica F elét. r sobre a partícula. Represente na fi gura o vetor E r necessário para que a partícula de carga Q se mova em movimento retilíneo uniforme. Em seguida, obtenha uma expressão literal para o módulo da velocidade v r da partícula quando ela executa esse movimento, em função das grande- zas apresentadas no enunciado. B v Q Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 54 8/7/18 9:07 AM 55 FÍ S IC A Indução eletromagnética Uma década após a descoberta histórica de Öersted, o cientista inglês Michael Faraday (1791-1867) descobriu um dos mais importantes fenômenos da Física, a in- dução eletromagnética. Fundamental para o desenvolvimento das tecnologias modernas, a indução eletromagné- tica é, basicamente, a geração de corrente elétrica usando como fonte um campo magnético. De fato, desde a geração de energia elétrica nas usinas hidrelétricas até a geração e a recepção de ondas de rádio estão relacionadas à indução eletromagnética. A geração de energia elétrica em uma usina hidrelétrica e a geração e a recepção de ondas de rádio são baseadas no fenômeno da indução eletromagnética. Fluxo magnético Como vimos, é possível representar o campo magnético em uma região do espaço com o uso de linhas de indução magnética. O fl uxo magnético em uma superfície no espaço é a medida da quantidade de linhas de indução magnética que a atravessam. Considere uma região do espaço na qual existe um campo magnético uniforme B r e uma superfície retangular de área A inserida nessa região, como mostra a fi gura. B Área A N α O fl uxo magnético φ que atravessa essa superfície, por defi nição, é: φ = B ⋅ A ⋅ cos α em que α é o ângulo entre o campo magnético B r e a direção normal à superfície. No SI, o fl uxo magnético é medido em T ⋅ m2, denominado de weber (Wb). Destacamos que o fl uxo magnético que atravessa determinada superfície depende tanto da intensidade do campo magnético e da área da superfície, como tambémda incli- nação entre eles. E v e re tt H is to ri c a l/ S h u tt e rs to ck Michael Faraday, físico e químico inglês, descobriu a indução eletromagnética e foi um dos descobridores do eletromagnetismo.A n d re w Z a ri v n y /S h u tt e rs to ck B e n ch a p o rn M a iw a t/ S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 55 8/7/18 9:07 AM 56 CAPÍTULO 3 Lei de Faraday e lei de Lenz A experiência da indução eletromagnética feita por Faraday é simples. Ele utilizou um ímã e uma bobina condutora fechada. Depois de muitas tentativas, Faraday notou que, quando ele aproximava ou afastava o ímã dentro da bobina, uma corrente elétrica era induzida na bobina. S Corrente N S Corrente N Ao se movimentar o ímã no interior da bobina, uma corrente elétrica é induzida, a qual, por sua vez, gera uma polaridade magnética em suas extremidades. Analisando o processo com mais cuidado, Faraday concluiu que a corrente elétrica era induzida na bobina sempre que o fl uxo magnético, por meio de sua área, sofria variações. Além disso, verifi cou que, quanto mais rápida a variação do fl uxo magnético, mais intensa era a corrente elétrica induzida. O físico russo Heinrich Lenz (1804-1865) propôs, com base em observações expe- rimentais, uma lei que permite determinar o sentido da corrente elétrica induzida. Conhecida como lei de Lenz, ela afi rma que a corrente elétrica induzida deve gerar um campo magnético induzido que deve se opor à variação do fl uxo magnético que gerou a corrente induzida. Em outras palavras, quando o fl uxo magnético no interior do circuito fechado aumen- ta, a corrente elétrica induzida nesse circuito deve gerar um campo magnético induzido contrário ao campo magnético original (fi gura A). Inversamente, se o fl uxo magnético di- minui, a corrente elétrica induzida deve gerar um campo magnético induzido a favor do campo magnético original (fi gura B). Bímã Bespirai v N S Bímã Bespira i v N S A B Lanterna de indução eletromagnética: a energia elétrica para acender a lâmpada é obtida por indução eletromagnética, pelo movimento da lanterna. Steve Carroll/Shutterstock Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 56 8/7/18 9:07 AM 57 FÍ S IC A Da eletrodinâmica, vimos que, para existir uma corrente elétrica num circuito, deve haver uma força eletromotriz. Daí, combinando as conclusões de Faraday e de Lenz, concluímos que a variação do fluxo magnético num circuito fechado gera uma corrente elétrica induzida nesse circuito. A força eletromotriz induzida ε ind. é propor- cional à taxa de variação do fluxo magnético φ , com sinal invertido, em um intervalo de tempo ∆t. ε = – t φ∆ ∆ Na equação, o fl uxo φ deve ser medido em weber (Wb), o tempo t, em segundo (s) e a força eletromotriz induzida ε ind. , em volt (V). Lei de Faraday-Lenz para uma espira retangular de área variável Um caso relativamente simples para se aplicar a lei de Faraday-Lenz é em uma espira retangular imersa em um campo magnético uniforme, cuja área varia pelo deslocamento de um dos lados da espira. Para ilustrar, considere, na fi gura, a espira retangular constituí- da por um trilho condutor e uma haste condutora móvel imersa em um campo magnético uniforme B r . B v B ind. i i i ∆A ∆s Haste condutora móvelTrilho condutor L Quando a haste condutora é deslocada para a direita com uma velocidade v, ocorre um aumento na área da espira e, consequentemente, um aumento do fl uxo magnético. Com isso, uma corrente elétrica induzida i é gerada na espira no sentido anti-horário a fi m de gerar um campo magnético induzido B ind. r que aponta no sentido oposto ao campo magnético original B r (lei de Lenz). Além disso, pela lei de Faraday, é possível determinar a força eletromotriz induzida ε ind. . |ε ind. | = t – φ∆ ∆ s |ε ind. | = B A t ( cos90 )∆ ⋅ ⋅ ° ∆ Sendo o campo magnético constante, temos: |ε ind. | = B A t ⋅∆ ∆ Por sua vez, a variação da área é dada por ∆A = L ⋅ ∆s. Substituindo, temos: |ε ind. | = B s t L⋅ ⋅∆ ∆ Sendo v = s t ∆ ∆ , a força eletromotriz induzida é dada por: |ε ind. | = B ⋅ L ⋅ v Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 57 8/7/18 9:07 AM N inguém que tivesse vivido perto de 1800 poderia imaginar que, nos próximos 100 anos, as cidades estariam iluminadas por lâmpadas incandescentes, ou que as pessoas seriam capazes de trabalhar com misteriosas máquinas elétricas, ouvir rádio em casa e conversar a distância com um familiar pelo telefone. Essa impressionante transformação foi possível graças a uma série de pesquisas pioneiras que, ao longo do século XIX, comprovaram que a eletricidade e o magnetismo não eram fenômenos diferentes, mas as duas caras da mesma moeda. A compreensão do eletromagnetismo impulsionou, assim, um olhar de aplicações úteis e acabou sendo um fator decisivo para o desenvolvimento tecnológico da civilização. O eletromagnetismo Bateria Gera uma corrente elétrica que produz um efeito magnético mediante “linhas de força”. Fundamento teórico Maxwell une as leis sobre eletricidade e magnetismo em seu tratado de 1873. NIKOLA TESLA Antigo colaborador de Edison, Nikola Tesla (1856-1943) descobriu o princípio do campo elétrico rotatório, que serviu de base para, depois, construir o motor de corrente alternada. Marcos da história do eletromagnetismo A ferramenta que está por trás do funciona- mento de múltiplos dispositivos, desde o tele- fone até a televisão ou os computadores, é o eletromagnetismo. Além de Oersted e Faraday, muitos cientistas realizaram contribuições. 1780 Prova animal Luigi Galvani observa espasmos em uma rã ao conectar arames de cobre e ferro em seu músculo e nervo. Postula que os impulsos nervosos são elétricos. 1800 Pilha de Volta Alessandro Volta desenhou a célula eletrolítica simples com varetas de cobre e zinco em salmoura. Ao se- rem conectadas em série, criou-se a bateria elétrica. Atração vital Quando, em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted demonstrou que nas proximidades de uma corrente elétrica a agulha imantada da bússola é imobilizada, provou-se que o magnetismo e a eletricidade não eram forças distintas. A revelação do físico, que demorou para ser aceita, foi o início de uma revolução científi ca e tecnológica liderada, entre outros, por Michael Faraday, James Maxwell e Thomas Alva Edison. INFO + ENEM 58 CAPÍTULO 3 Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 58 8/7/18 9:08 AM Galvanômetro Mede a passagem da corrente. Se o efeito magnético for constante, a agulha permanece parada. 3 2 1 1 Bobinas Michael Faraday constrói duas bobinas de arame condutor que se montam em volta de núcleos cilíndricos de madeira ou anéis de ferro. 2 Conexões Uma das bobinas é conectada a uma bateria e a outra a um galvanômetro que indica a passagem da corrente. Depois as aproxima entre si. 3 Efeitos Quando o circuito da bateria é fechado ou aberto, a agulha do galvanômetro se movimenta: a corrente é gerada somente quando há mudança no efeito magnético. 1879 Lâmpada Edison Apesar de não ter sido inventada por ele, a lâmpada incandescente é atribuída a Thomas Edison por ter desenvolvido um protótipo comer- cial e tecnicamente viável. 1888 Achado de Hertz Heinrich Hertz detecta as ondas prenunciadas por Maxwell. Ele ha- via postulado que luz, eletricidade e magnetismo acontecem pela osci- lação do campo eletromagnético. 1947 Transistor W. Shokley, J. Bardeen e W. Brattain, dos Laboratórios Bell, empregam semicondutores que substituem o vazio das válvulas eletrônicas usadas até então. O experimento de Faraday Se Oersted tinha provado que a eletricidade produz mag- netismo, em 1831 Michael Faraday demonstrou o efeito contrário: que o magnetismo dá origem à eletricidade. Mediante árduas pesquisas experimentais, comprovou que um fl uxo magnético variável induz uma corrente elétrica em um arame ou material condutor. Esseprincípio de “indução eletromagnética” foi a base dos geradores elétricos. Gerador A roda de cobre corta o campo magnético do ímã e dá origem a um fl uxo de corrente. 59 Acesse a questão Info + Enem e mais conteúdos do exame utilizando seu celular. Saiba mais em <www.plurall.net>. © S o l 9 0 I m a g e s Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 59 8/7/18 9:08 AM 60 CAPÍTULO 3 Decifrando o enunciado Lendo o enunciado Observe que o campo magnético na fi gura A tem sentido saindo do plano do papel. No gráfi co da fi gura B, observe que de 0 a 0,4 s o campo magnético sofre variação, o que indica um fl uxo magnético pelo anel. Para construir o gráfi co solicitado, será necessário apenas um valor para a corrente elétrica, já que é constante em função do fl uxo, de 0 a 0,4 s. Um anel de cobre, de área A = 0,02 m2 e resistência R = 0,06 Ω, está imerso em um cam- po magnético uniforme, cujas linhas de indução cortam perpendicularmente o plano do anel, como mostra a fi gura A. A intensidade B do campo magnético varia com o tempo t conforme o gráfi co mostrado na fi gura B. B 0,6 0,4 1,0 t (s) B (T) 0 Construa o gráfi co da intensidade da corrente elétrica induzida na espira em função do tempo, entre t = 0 e t = 1,0 s. Resolução Força eletromotriz, em módulo, induzida entre t = 0 e t = 0,4 s é: ε = t φ∆ ∆ = B B A t f i ⋅ ∆ ( – ) = (0,6 – 0) 0,02 0, 4 – 0 ⋅ s ε = 0,03 V Corrente induzida entre t = 0 e t – 0,4 s: i = R ε = 0,03 0,06 s i = 0,5 A A força eletromotriz e a corrente elétrica induzida entre t = 0,4 s e t = 1,0 s são nulas, pois não há variação de fl uxo magnético. Portanto, o gráfi co da intensidade da corrente elétrica induzida em função do tempo é o seguinte: 0,5 0,4 1,0 t (s) i (A) 0 A B Transformador de tens‹o O transformador é um componente elétrico que muda a diferença de potencial de uma linha de transmissão de energia elétrica. Ele consiste em dois enrolamentos de fi os (bobinas): o primário (1), ligado à rede prin- cipal, e o secundário (2), obtido da transformação de tensão. Ambos os enrolamentos são feitos num mesmo núcleo de ferro. N 2 N 1 R Primário i 1 i 2 Secundário U 2 U 1 Na fi gura: • U 1 é a ddp no primário; • U 2 é a ddp no secundário; • N 1 é o número de espiras do primário; • N 2 é o número de espiras do secundário; • i 1 é a corrente no primário; • i 2 é a corrente no secundário. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 60 8/7/18 9:08 AM 61 FÍ S IC A Quando há uma variação de fl uxo magnético na espira (1), a espira secundária (2) se opõe a essa variação, dando origem a uma corrente e a uma força eletromotriz induzidas. Para transformadores, a relação que se emprega é: U U 1 2 = N N 1 2 = i i 2 1 Para ocorrer uma variação de fl uxo na espira primária, a corrente elétrica da rede deve variar; portanto, o transformador n‹o funciona em correntes elétricas contínuas, ele fun- ciona apenas em correntes elétricas alternadas. Contextualize A A Usina de Itaipu foi inaugurada em 5 de maio de 1984 e pertence a dois países: Brasil e Paraguai. Com suas 20 turbinas em funcionamento, gera em média 100 000 GW/h. Ao Brasil, pela Eletrobrás, cabe o gerenciamento e produção de 50% do total de turbinas. As turbinas geram igualmente energia elétrica na tensão de 18 000 V; as brasileiras operam na frequência de 60 Hz e as do Paraguai em 50 Hz, que é a frequência ofi cial usada no país. No Brasil, a corrente elétrica que recebemos em nossas residências é do tipo alternada e de frequência 60 Hz, ou seja, a cada segundo os elétrons realizam o movimento de 60 vezes de ida e 60 vezes de volta. Parte da energia das dez turbinas pertencentes ao Paraguai sobra e é vendida ao Brasil. Porém, essa energia adquirida é gerada na frequência de 50 Hz e, dessa forma, não pode ser usada diretamente em nossas re- sidências. Para resolver esse problema, a energia adquirida do Paraguai chega a uma subestação brasileira na forma alternada e em frequência de 50 Hz. Nessa subestação, a energia passa por um transformador que eleva a tensão para 600 000 V e, a seguir, transforma-a em corrente elé- trica contínua. Essa energia é transmitida por uma rede especial até a cidade de São Paulo, que tem alta demanda da energia elétrica. Ao chegar à cidade de São Paulo, a energia elétrica adquirida do Paraguai é transformada novamente em corrente alter- nada e, a seguir, sua tensão elétrica é modifi cada para ser distribuída pela cidade. A tensão da corrente elétrica contínua não pode ser transformada, pois, para essa corrente, não há variação do fl uxo magnético. 1. Faça uma pesquisa e descubra quais as três maiores usinas hidrelétrica do mundo, com quantas turbinas elas operam e quantos GW/h cada uma delas gera por dia. 2. Quais são as vantagens e as desvantagens dessas usinas no meio socioambiental. Detalhe de uma das turbinas da Usina de Itaipu. Professor, con� ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. M a ty a s R e h a k /S h u tt e rs to ck M y k o la G o m e n iu k /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 61 8/7/18 9:08 AM 62 CAPÍTULO 3 13. (Enem) O manual de funcionamento de um captador de guitarra elétrica apresenta o seguinte texto: Esse captador comum consiste de uma bobina, fi os con- dutores enrolados em torno de um ímã permanente. O campo magnético do ímã induz o ordenamento dos polos magnéticos na corda da guitarra, que está pró- xima a ele. Assim, quando a corda é tocada, as osci- lações produzem variações, com o mesmo padrão, no fl uxo magnético que atravessa a bobina. Isso induz uma corrente elétrica na bobina, que é transmitida até o am- plifi cador e, daí, para o alto-falante. Um guitarrista trocou as cordas originais de sua guitar- ra, que eram feitas de aço, por outras feitas de náilon. Com o uso dessas cordas, o amplifi cador ligado ao ins- trumento não emitia mais som, porque a corda de náilon: a) isola a passagem de corrente elétrica da bobina para o alto-falante. b) varia seu comprimento mais intensamente do que ocorre com o aço. c) apresenta uma magnetização desprezível sob a ação do ímã permanente. d) induz correntes elétricas na bobina mais intensas que a capacidade do captador. e) oscila com uma frequência menor do que a que pode ser percebida pelo captador. De acordo com o enunciado: “O campo magnético do ímã induz o ordenamento dos polos magnéticos na corda da gui- tarra.”. Trocando as cordas de aço (material ferromagnético) por cordas de náilon, o efeito de magnetização torna-se muito fraco, podendo ser desprezado, não enviando sinais ao am- pli� cador. Alternativa c 14. (Escola Naval-RJ) Analise a fi gura a seguir. Barra condutora F B v Trilhos condutores Imersa numa região onde o campo magnético tem di- reção vertical e módulo B = 6,0 T uma barra conduto- ra de um metro de comprimento, resistência elétrica R = 1,0 Ω e massa m = 0,2 kg, desliza sem atrito apoia- da sobre trilhos condutores em forma “U” dispostos horizontalmente, conforme indica a figura acima. Se uma força externa F mantém a velocidade da barra constante e de módulo v = 2,0 m/s qual o módulo da força F, em newtons? a) 6,0 b) 18 c) 36 d) 48 e) 72 Para calcularmos a força, precisamos partir do cálculo da força eletromotriz induzida na barra: ε = B ⋅ L ⋅ v = 6 ⋅ 1 ⋅ 2 s ε = 12 V Assim, a corrente elétrica na barra, será de: i = R ε = 12 1 s i = 12 A Sendo a velocidade de deslizamento da barra, constante, temos: F = F m = B ⋅ i ⋅ L s F = 6 ⋅ 12 ⋅ 1 = 72 N Alternativa e 15. (Enem) Há vários tipos de tratamentos de doenças cere- brais que requerem a estimulação de partes do cérebro por correntes elétricas. Os eletrodos são introduzidos no cérebro para gerar pequenas correntes em áreas específi cas. Para se eliminar a necessidade de introduzir eletrodosno cérebro, uma alternativa é usar bobinas que, colocadas fora da cabeça, sejam capazes de induzir correntes elétri- cas no tecido cerebral. Para que o tratamento de patologias cerebrais com bo- binas seja realizado satisfatoriamente, é necessário que: a) haja um grande número de espiras nas bobinas, o que diminui a voltagem induzida. b) o campo magnético criado pelas bobinas seja constan- te, de forma a haver indução eletromagnética. c) se observe que a intensidade das correntes induzidas depende da intensidade da corrente nas bobinas. d) a corrente nas bobinas seja contínua, para que o cam- po magnético possa ser de grande intensidade. e) o campo magnético dirija a corrente elétrica das bobi- nas para dentro do cérebro do paciente. A intensidade da corrente induzida depende da variação do � uxo magnético gerado pela corrente na bobina: quanto mais intensa for a corrente na bobina, maior será a intensidade da corrente induzida no cérebro. Alternativa c Atividades R e p ro d u ç ã o / E s c o la N a v a l- R J . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 62 8/7/18 9:08 AM 63 FÍ S IC A 16. (UFU-MG) O anel saltante ou anel de Thomson é uma interessante demonstração dos efeitos eletromagnéticos. Ele consiste em uma bobina, um anel metálico, normal- mente de alumínio, e um núcleo metálico que atravessa a bobina e o anel. Quando a bobina é ligada a uma tomada de corrente alternada, o anel de alumínio salta e fi ca levi- tando em uma altura que pode ser considerada constante. A fi gura mostra o dispositivo. Um dos fatos que contri- buem para a levitação do anel metálico, apesar de não ser o único, é a fonte de corrente elétrica ser alternada, pois o anel não levitaria se ela fosse contínua. A força sobre o anel metálico e sua consequente levitação devem-se ao fato de a bobina percorrida por corrente elé- trica alternada gerar: a) uma polarização elétrica variável em função do tempo no núcleo metálico que induz uma carga elétrica no anel metálico. b) um campo elétrico constante em função do tempo no núcleo metálico que induz uma diferença de potencial no anel metálico. c) uma polarização magnética constante em função do tempo no núcleo metálico que induz um polo magné- tico no anel metálico. d) um campo magnético variável em função do tempo no núcleo metálico que induz uma corrente elétrica no anel metálico. O anel de Thomson funciona da seguinte forma: a corrente al- ternada produz um campo magnético que varia com o tempo. As linhas desse campo circulam o núcleo metálico fazendo com que surja, também, um campo magnético variante no tempo no interior do núcleo. Por esse motivo, o � uxo mag- nético, por meio da bobina, varia gerando polos magnéticos alternantes nas duas faces do anel. Dessa forma, as forças alternadas no anel variantes com o tempo e inteiramente re- pulsivas fazem com que o anel levite. Alternativa d 17. (Fuvest-SP) Um anel de alumínio, suspenso por um fi o isolante, oscila entre os polos de um ímã, mantendo-se, inicialmente, no plano perpendicular ao eixo N–S e equi- distante das faces polares. O anel oscila, entrando e saindo da região entre os polos, com certa amplitude. N S Nessas condições, sem levar em conta a resistência do ar e outras formas de atrito mecânico, pode-se afi rmar que, com o passar do tempo: a) a amplitude de oscilação do anel diminui. b) a amplitude de oscilação do anel aumenta. c) a amplitude de oscilação do anel permanece constante. d) o anel é atraído pelo polo norte do ímã e lá permanece. e) o anel é atraído pelo polo sul do ímã e lá permanece. A oscilação do anel provoca uma corrente elétrica nele, resul- tado da variação de seu � uxo magnético. A energia potencial elétrica correspondente é graças à diminuição da energia de oscilação da espira. Como a amplitude do anel está inteira- mente relacionada à energia da oscilação, ela irá diminuir. Alternativa a 18. (UFRGS-RS) O observador, representado na fi gura, observa um ímã que se movimenta em sua direção com velocidade constante. No instante representado, o ímã encontra-se entre duas espiras condutoras, 1 e 2, também mostradas na fi gura. R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 63 8/7/18 9:08 AM 64 CAPÍTULO 3 Examinando as espiras, o observador percebe que: a) existem correntes elétricas induzidas no sentido horá- rio em ambas as espiras. b) existem correntes elétricas induzidas no sentido anti- -horário em ambas as espiras. c) existem correntes elétricas induzidas no sentido horá- rio na espira 1 e anti-horário na espira 2. d) existem correntes elétricas induzidas no sentido anti- -horário na espira 1 e horário na espira 2. e) existe apenas corrente elétrica induzida na espira 1, no sentido horário. De acordo com a lei de Lenz, a aproximação do polo norte do ímã em relação à espira 1, provoca um aumento no �uxo magnético, que, por sua vez, gera uma corrente elétrica in- duzida no sentido horário, se opondo ao aumento do �uxo. Já na espira 2, temos o processo inverso ocorrendo com uma corrente elétrica induzida no sentido anti-horário. Alternativa c 19. (Uerj) A corrente elétrica no enrolamento primário de um transformador corresponde a 10 A enquanto no enrola- mento secundário corresponde a 20 A. Sabendo que o enrolamento primário possui 1 200 espi- ras, o número de espiras do enrolamento secundário é: a) 600 b) 1 200 c) 2 400 d) 3 600 Desconsiderando possíveis perdas de energia, temos uma igualdade das potências no primário e no secundário. Assim, temos: P P = P S s U P · i P = U S · i S s U P ⋅ 10 = U S ⋅ 20 s U P = 2U S Na relação entre tensão e número de espiras, temos: Da relação entre tensão e número de espiras no primário e secundário de um transformador, tem-se: U N P P = U N S S s 2 1200 SU = U N S S s 1 600 = 1 NS s N S = 600 Alternativa a 20. (UEG-GO) O transformador é um aparelho muito simples. Ele é constituído por uma peça de ferro (núcleo do trans- formador) em torno do qual são enroladas duas bobinas (uma primária e outra secundária), da maneira mostrada na figura. Tensão primária Vp Tensão secundária VS Bobina primária 800 espiras Bobina secundária 400 espiras Núcleo do transformador a) Explique o funcionamento de um transformador. O funcionamento de um transformador baseia-se na geração de uma corrente induzida na bobina secundária quando há uma variação de �uxo magnético por meio da bobina primária. b) Suponha que uma bateria de 12 V seja conectada aos extremos da bobina primária. Nessas condições, qual é a voltagem na bobina secundária? É nula. O transformador não funcionará se a corrente elé- trica na bobina primária for constante, pois, nesse caso, não há variação do �uxo magnético. c) Uma voltagem alternada de 120 V é conectada no enrolamento primário. Que voltagem será obtida no secundário? P S U U = N N P S s 120 SU = 800 400 s U S = 60 V Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 64 8/7/18 9:08 AM 65 FÍ SI CA 21. (PUC-RS) Sobre o fenômeno de indução eletromagnética, apresentam-se três situações: Situação 1: Uma espira condutora gira em torno do eixo indicado, enquanto um ímã encontra-se em repouso em relação ao mesmo eixo. Situação 2: Uma espira condutora encontra-se em repouso em rela- ção a um circuito elétrico no qual uma lâmpada pisca com uma frequência constante. Situação 3: Uma espira condutora se encontra em repouso em relação a um fi o condutor retilíneo, ligado a um circuito elétrico, no qual circula uma corrente elétrica i contínua e constante. Verifi ca-se uma corrente elétrica induzida na espira con- dutora na(s) situação(ões): a) 1, apenas. b) 3, apenas. c) 1 e 2, apenas. d) 2 e 3, apenas. e) 1, 2 e 3. 22. (Vunesp) Um gerador eletromagnético é constituído por uma espira com secção retae área S, que gira com veloci- dade angular ω no interior de um campo magnético uni- forme de intensidade B. À medida que a espira gira, o fl uxo magnético φ que a atravessa varia segundo a expressão φ (t) = B ⋅ S ⋅ cos (ω ⋅ t), em que t é o tempo, produzindo uma força eletromotriz nos terminais do gerador eletro- magnético, cujo sentido se inverte em função do giro da espira. Assim, a corrente no resistor R, cujo sentido se in- verte a cada meia-volta, é denominada corrente alternada. Ímã Ímã Eixo Sentido do movimento Espira retangular i i i R B Considere a espira com secção reta de 10 cm2, girando à razão de 20 voltas por segundo, no interior de um campo magnético de intensidade igual a 2 ⋅ 10–5 T. Trace o gráfi co do fl uxo magnético φ (t) que atravessa a espira em função do tempo, durante um período (T), indicando os valores do fl uxo magnético nos instantes 0; T 4 ; T 2 ; 3T 4 e T. 23. (UEM-PR) Uma haste metálica pode deslizar livremente (sem atrito) sobre duas outras hastes metálicas, paralelas entre si, conforme ilustra a fi gura. B = 3T U = 1 m/s R = 2 Ω Considere as hastes metálicas, os fi os condutores e o am- perímetro com resistências desprezíveis. O resistor R tem resistência 2 Ω, a intensidade do campo magnético B r é de 3 T perpendicular e saindo do plano da página, e a velocidade da haste livre tem módulo u = 1,0 m/s Sobre o exposto, assinale o que for correto. (01) O sentido convencional da corrente que percorre o circuito é horário. (02) A força magnética que atua sobre a haste móvel é contrária a seu movimento. (04) A força eletromotriz induzida vale 0,6 V. (08) A potência dissipada no resistor R é 0,18 W. (16) Para a haste se deslocar com velocidade constante, é necessário que um agente externo aplique uma força variável sobre ela. Dê a soma dos números dos itens corretos. 24. (AFA-SP) A fi gura a seguir mostra um ímã oscilando próxi- mo a uma espira circular, constituída de material condutor, ligada a uma lâmpada. S N A resistência elétrica do conjunto espira, fi os de ligação e lâmpada é igual a R e o ímã oscila em MHS com período igual a T. Nessas condições, o número de elétrons que atravessam o fi lamento da lâmpada, durante cada apro- ximação do ímã: a) é diretamente proporcional a T. b) é diretamente proporcional a T2. c) é inversamente proporcional a T. d) não depende de T. Complementares Tarefa proposta 17 a 32 R e p ro d u ç ã o / P U C -R S , 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / U E M -P R , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 65 8/7/18 9:08 AM 66 CAPÍTULO 3 1. (UFSJ-MG) Considere a fi gura a seguir, que representa um fi o condutor retilíneo longo conduzindo uma corren- te i que atravessa o interior de um ímã em forma de U. Os polos norte e sul do ímã encontram-se indicados pelas letras N e S, respectivamente. S N i Em razão da presença do campo magnético do eletroímã, o fi o sofrerá a ação de uma força magnética, agindo: a) de baixo para cima da fi gura. b) de cima para baixo da fi gura. c) da esquerda para a direita da fi gura. d) da direita para a esquerda da fi gura. 2. (Vunesp) Um feixe é formado por íons de massa m 1 e íons de massa m 2 , com cargas elétricas q 1 e q 2 , res- pectivamente, de mesmo módulo e de sinais opostos. O feixe penetra com velocidade v r por uma fenda F, em uma região onde atua um campo magnético uni- forme B r cujas linhas de campo emergem na vertical perpendicularmente ao plano que contém a fi gura e com sentido para fora. Depois de atravessarem a região por trajetórias tracejadas circulares de raios R 1 , R 2 = 2 ⋅ R 1 e desviados pelas forças magnéticas que atuam sobre eles, os íons de massa m 1 atingem a chapa fotográfi ca C 1 e os de massa m 2 a chapa C 2 . B C 2 C 1F R 2 R 1 Considere que a intensidade da força magnética que atua sobre uma partícula de carga q, movendo-se com velocidade v, perpendicularmente a um campo magné- tico uniforme de módulo B, é dada por F mag. = |q| ⋅ v ⋅ B. Indique e justifi que sobre qual chapa, C 1 ou C 2 , incidi- ram os íons de carga positiva e os de carga negativa. Calcule a relação m m 1 2 entre as massas desses íons. 3. (Ufes) Um feixe composto por nêutrons, prótons e elétrons penetra em uma região onde há um campo magnético per- pendicular à direção inicial do feixe, como indicado na fi gura. B I II III Os três componentes, I, II e III, em que o feixe se subdivide correspondem, respectivamente, a: a) elétrons, prótons, nêutrons. b) nêutrons, elétrons, prótons. c) prótons, elétrons, nêutrons. d) elétrons, nêutrons, prótons. e) prótons, nêutrons, elétrons. 4. (UFRGS-RS) Na fi gura abaixo, está representada a traje- tória de uma partícula de carga negativa que atravessa três regiões onde existem campos magnéticos uniformes e perpendiculares à trajetória da partícula. Nas regiões I e III, as trajetórias são quartos de circunferên- cias e, na região II, a trajetória é uma semicircunferência. A partir da trajetória representada, pode-se afi rmar corre- tamente que os campos magnéticos nas regiões I, II e III, em relação à página, estão, respectivamente: a) entrando, saindo e entrando. b) entrando, saindo e saindo. c) saindo, saindo e entrando. d) entrando, entrando e entrando . e) saindo, entrando e saindo. 5. (FGV-SP) Uma partícula dotada de massa e eletrizada nega- tivamente é lançada, com velocidade inicial v 0 para o interior de uma região A onde impera um campo elétrico uniforme. Tarefa proposta R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S , 2 0 1 8 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 66 8/7/18 9:08 AM 67 FÍ S IC A A partícula segue a trajetória retilínea paralela ao plano da folha, mostrada na fi gura. Logo após atravessar a re- gião A, a partícula ingressa na região B, com velocidade v . v 0 onde há um campo magnético uniforme, orientado perpendicularmente ao plano da folha, apontando para fora dela. É correto afi rmar que a orientação do campo elétrico em A é paralela ao plano da folha no: a) mesmo sentido de v 0 ; em B, a partícula segue a traje- tória circular I de raio R. b) sentido oposto ao de v 0 ; em B, a partícula segue a trajetória circular I de raio R. c) sentido oposto ao de v 0 ; em B, a partícula segue a trajetória circular IV de raio R. d) sentido oposto ao de v 0 ; em B, a partícula segue a trajetória parabólica II. e) mesmo sentido de v 0 ; em B, a partícula segue a traje- tória parabólica III. 6. (UEPG-PR) Uma partícula de carga q e massa m está se movendo, em linha reta, com uma velocidade constante v, numa região onde existem campos elétrico e magnético uniformes. O campo elétrico E r e o vetor indução mag- nética B r são perpendiculares entre si e cada um deles é perpendicular ao vetor velocidade da partícula. Analise a situação e assinale o que for correto. (01) Na presente situação, o módulo da velocidade da partícula é E B . (02) Se o campo elétrico for desligado, a trajetória da partícula será uma espiral com raio r = qv mB 0 . (04) Na situação descrita no enunciado, a força elétrica não realiza trabalho sobre a partícula. (08) A trajetória da partícula não depende da direção do vetor velocidade, mas apenas de seu módulo. (16) Se a partícula estivesse em repouso, a força resul- tante sobre ela seria nula. Dê a soma dos números dos itens corretos. 7. (UFG-GO) Um acelerador de partículas é uma instalação na qual partículas eletricamente carregadas são acelera- das através de um campo elétrico, podendo atingir ve- locidades próximas à da luz. As colisões que elas podem ter com outras partículas são extremamente importantes para o melhor entendimento da estrutura interna da matéria. O princípio básico de funcionamento de um acelerador de partículas consiste na aplicação combina- da de campos elétricos e magnéticos, no interior de um anel no qual as partículas estão confi nadas.A fi gura a seguir, representa duas regiões distintas onde se movi- menta uma carga elétrica positiva q, inicialmente com velocidade v 0 . Região I Região II v 0 q x E B Região I: existe somente campo elétrico E r . Região II: existe somente campo magnético B r , entrando no plano da folha. a) Represente a trajetória da carga q ao passar pela re- gião I e, posteriormente, pela região II. b) Considerando que a partícula tenha carga q = 1,6 ⋅ 10–19 C, massa m = 1,6 ⋅ 10–27 kg, e que E = 103 V/m, v 0 = 105 m/s e que o tempo gasto pela partícula na região I seja t = 10–6 s, calcule a velocidade com que a partícula entrará na região II. c) Se B = 0,1 T, calcule o raio do arco de circunferência que a partícula descreve no campo magnético. 8. (UPM-SP) Dois fi os condutores, (1) e (2), muito longos e paralelos, são percorridos por correntes elétricas i 1 e i 2 , respectivamente, de sentidos opostos e situadas no plano horizontal. A fi gura a seguir mostra a secção transversal desses condutores, em que a corrente elétri- ca i 1 está saindo da página e a corrente elétrica i 2 está entrando na página. i 1 (1) (2) i 2 A melhor representação vetorial da força magnética Fmag.( ) r e do campo de indução magnética B( ) r agentes sobre o fi o condutor (1) é: a) F mag. B b) F mag. B c) F mag. B d) F mag. B e) F mag. B 9. (UEPE) Um elétron entra com velocidade v e = 10 ⋅ 106 m/s entre duas placas paralelas carregadas eletricamente. As placas estão separadas pela distância d = 1,0 cm e foram carregadas pela aplicação de uma diferença de potencial U = 200 volts. Qual é o módulo do campo R e p ro d u ç ã o / F G V -S P, 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 67 8/7/18 9:08 AM 68 CAPÍTULO 3 magnético, r B, que permitirá ao elétron passar entre as placas sem ser desviado da trajetória tracejada? Expresse B em unidades de 10–3 tesla. v 0 d 10. (Escola Naval-RJ) Uma partícula localizada em um pon- to P do vácuo, em uma região onde há um campo eletromagnético não uniforme, sofre a ação da força resultante F e + F m em que F e é a força elétrica e F m é a força magnética. Desprezando a força gravitacional, pode-se afi rmar que a força resultante sobre a partícula será nula se: a) a carga elétrica da partícula for nula. b) a velocidade da partícula for nula. c) as forças (F e , F m ) tiverem o mesmo módulo, e a carga da partícula for negativa. d) as forças (F e , F m ) tiverem a mesma direção, e a carga da partícula for positiva. e) no ponto P campos elétricos e magnéticos tiverem sentidos opostos. 11. (UFRGS-RS) A fi gura (i) abaixo esquematiza um tubo de raios catódicos. Nele, um feixe de elétrons é emitido pelo canhão eletrônico, é colimado no sistema de foco e inci- de sobre uma tela transparente que se ilumina no ponto de chegada. Um observador posicionado em frente ao tubo vê a imagem representada em (ii). Um ímã é então aproximado da tela, com velocidade constante e vertical, conforme mostrado em (iii). Assinale a alternativa que descreve o comportamento do feixe após sofrer a infl uência do ímã. a) O feixe será desviado seguindo a seta 1. b) O feixe será desviado seguindo a seta 2. c) O feixe será desviado seguindo a seta 3. d) O feixe será desviado seguindo a seta 4. e) O feixe não será desviado. 12. (Vunesp) Um motor elétrico é construído com uma espira retangular feita com um fi o de cobre esmaltado semirraspado em uma extremidade e totalmente raspado na outra, apoiada em dois mancais soldados aos polos A e B de uma pilha. Presa a essa espira, uma hélice leve pode girar livremente no sentido horário ou anti-horário. Um ímã é fi xo à pilha com um de seus polos magnéticos (X) voltado para cima, criando o campo magnético responsável pela força magnética que atua sobre a espira, conforme ilustrado na fi gura. Se A for um polo __________, B um polo __________ e X um polo __________, dado um impulso inicial na espira, ela mantém-se girando no sentido __________. Assinale a alternativa que completa, correta e respectiva- mente, as lacunas do texto. a) negativo – positivo – sul – horário b) negativo – positivo – norte – anti-horário c) positivo – negativo – sul – anti-horário d) positivo – negativo – norte – horário e) negativo – positivo – norte – horário 13. (ITA-SP) Uma carga elétrica q é lançada com velocidade inicial v r em uma região em que há um campo de indução magnética B r , constante. Supondo-se que sobre a partícula só possa atuar a força da natureza magnética, pode-se afi r- mar que: a) a partícula, necessariamente, descreverá uma trajetó- ria circular. b) a trajetória da partícula não pode ser retilínea nessa região. c) a energia cinética da partícula deve aumentar com o tempo. d) a força da natureza magnética é paralela a B r . e) o movimento da partícula é uniforme. 14. (UFPI) Um tipo de seletor de velocidades para partículas car- regadas pode ser simplesmente uma região do espaço onde estejam presentes, simultaneamente, um campo elétrico e um campo magnético adequadamente ajustados, de modo que uma partícula, com a velocidade desejada, atravesse a região com aceleração nula. Considere tal seletor constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por uma distân- cia d = 2,0 ⋅ 10–3 m, tendo entre elas um campo magnético uniforme de intensidade B = 1,2 T (tesla). Nosso objetivo é selecionar íons cuja velocidade é v = 3,5 ⋅ 106 m/s. Para se produzir o campo elétrico correto, temos de aplicar entre as placas uma diferença de potencial ∆U igual a: R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S , 2 0 1 7. R e p ro d u ç ã o / V u n e s p , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 68 8/7/18 9:08 AM 69 FÍ S IC A a) 2,4 ⋅ 103 volts b) 4,2 ⋅ 103 volts c) 7,0 ⋅ 103 volts d) 8,4 ⋅ 103 volts e) 9,2 ⋅ 103 volts 15. (Unicamp-SP) Um fi o condutor rígido de 200 g e 20 cm de comprimento é ligado ao restante do circuito através de contatos deslizantes sem atrito, como mostra a fi gura a seguir. O plano da fi gura é vertical. Inicialmente a chave está aberta. O fi o condutor é preso a um dinamômetro e se encontra em uma região com um campo magnético de 1,0 T, entrando no plano da fi gura. Condutor rígido Contato A Chave Bateria Contato B Dinamômetro B a) Calcule a força medida pelo dinamômetro com a cha- ve aberta, estando o fi o em equilíbrio. b) Determine a direção e a intensidade da corrente elétri- ca no circuito após o fechamento da chave, sabendo que o dinamômetro passa a indicar leitura zero. c) Calcule a tensão na bateria, sabendo que a resistência total do circuito é de 6,0 ohms. 16. (USF-SP) A tomogra� a, por emissão de pósitrons ou PET-SCAN, é um exame de imagem que utiliza uma substância radioativa (18-Fluordesoxiglicose) para rastrear células tumorais no organismo. A técnica ou exame mais utilizado em oncologia é o chamado PET/CT, que consiste na fusão de imagens ge- radas pelo PET (Tomogra� a por Emissão de Pósitrons) com as imagens geradas pela Tomogra� a Computadorizada. Diferentemente de uma radiogra� a ou tomogra� a que ana- lisa uma estrutura ou órgão do corpo de uma forma estática, o PET é um exame funcional, ou seja, tem a capacidade de mostrar o funcionamento de um tecido em nível molecular. Disponível em: <www.oncomedbh.com.br/site/? menu=Informa%E7%F5es&submenu= Fique%20por% 20dentro&i=73&pagina=O%20que%20%E9%20PET- SCAN?%A0>. Acesso em: 15 mai. 2017. O pósitron usado nesse exame é a antipartícula do elé- tron e apresenta a mesma massa do elétron, porém car- ga elétrica positiva. Ele foi descoberto por Paul Dirac em 1928, mas a sua existência foi observada por Andersen em 1936. As partículas eletrizadas como o pósitron in- teragem com campos magnéticos e isso resulta em vá- rias aplicações práticas importantes, como a descrita no texto acima. Ao se lançar, comvelocidades iguais, um próton, um elétron e um pósitron perpendicularmente a um campo magnético uniforme, essas partículas: a) fi cam sujeitas a forças magnéticas de intensidades di- ferentes, com direção paralela ao campo magnético a que elas estão submetidas. b) apresentam movimento circular uniforme, sendo to- das as partículas com trajetórias de raios com valo- res distintos. c) alteram a sua energia cinética enquanto estiverem no interior do campo magnético. d) descrevem trajetórias circulares, e o próton apresenta- rá a menor frequência no movimento circular, quando comparado com as outras partículas. e) não terão qualquer variação nos seus respectivos momentos lineares, ou seja, o vetor quantidade de movimento de cada uma das partículas permanecerá inalterado. 17. (PUC-SP) Dois longos fi os metálicos, retilíneos e fl exíveis estão inicialmente dispostos conforme indica a fi gura 1 e localizados numa região do espaço onde há a presença de um intenso campo magnético constante e perpendicular ao plano da folha. Quando os fi os são percorridos por corrente elétrica de mesma intensidade constante, verifi cam-se as deforma- ções indicadas na fi gura 2. Para que isso seja possível, o sentido do campo magnéti- co e da corrente elétrica em cada fi o deve ser: a) Campo magnético entrando na folha (X) e sentido da corrente elétrica de A para B no fi o 1 e sentido de B para A no fi o 2. b) Campo magnético saindo da folha (∙) e sentido da cor- rente elétrica de A para B no fi o 1 e sentido de B para A no fi o 2. c) Campo magnético entrando na folha (X) e sentido da corrente elétrica de B para A no fi o 1 e sentido de B para A no fi o 2. d) Campo magnético saindo na folha (∙) e sentido da cor- rente elétrica de B para A nos fi os 1 e 2. R e p ro d u ç ã o / U S F- S P. R e p ro d u ç ã o / P U C -S P, 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 69 8/7/18 9:08 AM 70 CAPÍTULO 3 18. (FMJ-SP) Duas placas longas, planas e eletrizadas com si- nais opostos e de mesmo módulo, dispostas paralelamente e distanciadas de 20 cm uma da outra, apresentam entre si diferença de potencial 200 V. Uma carga elétrica q, de sinal negativo e peso desprezível, é mantida em movimento entre as placas, paralelamente a elas e com velocidade v igual a 100 m/s como mostra a figura. a) Represente na figura abaixo os vetores campo elétrico e força elétrica atuantes na carga, enquanto ela estiver na região central entre as duas placas. b) Considere desprezíveis os efeitos de bordas das pla- cas eletrizadas e que a intensidade da força magnética atuante na carga q seja dada por F mag. = B ⋅ q ⋅ v ⋅ sen θ, em que B é a intensidade do campo magnético e θ é o ângulo formado entre as linhas do campo magnético com a direção de v. Determine o módulo, em tesla, e o sentido do vetor campo magnético B r que deve ser aplicado na região central entre as placas e perpendi- cularmente ao plano da figura, para manter a veloci- dade da carga constante em módulo e direção. 19. (ITA-SP) Em queda livre a partir do repouso, um imã atraves- sa longitudinalmente o interior de um tubo de plástico, sem tocar-lhe as paredes, durante um intervalo de tempo ∆t. Caso este tubo fosse de metal, o tempo para essa tra- vessia seria maior, igual ou menor que ∆t? Justifique sua resposta. 20. (UFRN) O inglês Michael Faraday (1791-1867) pode ser considerado um dos mais influentes cientistas de todos os tempos e seus trabalhos científicos ainda hoje têm reper- cussão na sociedade científico-tecnológica. Um dos mais importantes desses trabalhos é a lei de indução eletromag- nética que leva seu nome – lei de Faraday –, que trata de uma situação experimental envolvendo o ímã e uma espira. Essa lei pode ser enunciada como: “A força eletromotriz induzida em uma espira fechada é proporcional à variação do fluxo magnético que a atravessa e inversamente propor- cional ao intervalo de tempo em que ocorre essa variação”. Michael Faraday. Em relação à lei referida no texto, é correto afirmar que a força eletromotriz induzida na espira: a) depende do produto da variação do fluxo magnético através da espira pelo intervalo de tempo. b) não depende do movimento relativo entre o ímã e a espira. c) depende do movimento relativo entre o ímã e a espira. d) não depende da razão entre a variação do fluxo mag- nético através da espira pelo intervalo de tempo. 21. (UEMG) O desenvolvimento tecnológico das últimas décadas tem exigido a produção cada vez maior de energia, princi- palmente de energia elétrica. Além das hidrelétricas, outras fontes como painéis fotovoltaicos, usinas eólicas, termoelétri- cas e baterias têm sido usadas para produzir energia elétrica. São fontes de energia que não se baseiam na indução eletromagnética para produção de energia elétrica: a) pilhas e painéis fotovoltaicos. b) termoelétricas e usinas eólicas. c) pilhas, termoelétricas e painéis fotovoltaicos. d) termoelétricas, painéis fotovoltaicos e usinas eólicas. 22. (UEL-PR) Um ímã, em forma de barra, atravessa uma es- pira condutora retangular ABCD, disposta verticalmente, conforme a figura a seguir. N D A C B S Nessas condições, é correto afirmar que, na espira: a) não aparece corrente elétrica induzida quando o ímã se aproxima nem quando se afasta da espira. b) se tem uma corrente elétrica induzida, no sentido de A para B, apenas quando o ímã se aproxima da espira. E v e re tt H is to ri c a l/ S h u tt e rs to ck R e p ro d u ç ã o / F M J -S P, 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / F M J -S P, 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 70 8/7/18 9:08 AM 71 FÍ S IC A c) se tem uma corrente elétrica induzida, no sentido de A para B, tanto quando o ímã se aproxima como quando se afasta da espira. d) se tem uma corrente elétrica induzida, no sentido de B para A, tanto quando o ímã se aproxima como quan- do se afasta da espira. e) se tem uma corrente elétrica induzida, no sentido de A para B, apenas quando o ímã se afasta da espira. 23. (UFRGS-RS) A fi gura a seguir representa três posições, P 1 , P 2 e P 3 , de um anel condutor que se desloca com velo- cidade v constante numa região em que há um campo magnético B, perpendicular ao plano da página. P 1 P 2 P 3 B V V V Com base nestes dados, é correto afi rmar que uma cor- rente elétrica induzida no anel surge: a) apenas em P 1 . b) apenas em P 3 . c) apenas em P 1 e P 3 . d) apenas em P 2 e P 3 . e) em P 1 , P 2 e P 3 . 24. (UFRGS-RS) A fi gura abaixo representa um experimento em que um ímã está sendo aproximado com velocidade v de uma bobina em repouso, ligada em série com um galva- nômetro G. A seguir, três variantes do mesmo experimento estão re- presentadas nas fi guras I, II e III. Assinale a alternativa que indica corretamente as varian- tes que possuem corrente elétrica induzida igual àquela produzida no experimento original. a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas III. d) Apenas I e II. e) I, II e III. 25. (UCS-RS) A Costa Rica, em 2015, chegou muito próximo de gerar 100 % de sua energia elétrica a partir de fontes de energias renováveis, como hídrica, eólica e geotérmica. A lei da Física que permite a construção de geradores que transformam outras formas de energia em energia elétri- ca é a lei de Faraday, que pode ser melhor defi nida pela seguinte declaração: a) toda carga elétrica produz um campo elétrico com direção radial, cujo sentido independe do sinal des- sa carga. b) toda corrente elétrica, em um fi o condutor, produz um campo magnético com direção radial ao fi o. c) uma carga elétrica, em repouso, imersa em um campo magnético sofre uma força centrípeta. d) a força eletromotriz induzida em uma espira é propor- cional à taxa de variação do fl uxo magnético em rela- ção ao tempo gasto para realizar essa variação. e) toda onda eletromagnéticase torna onda mecânica quando passa de um meio mais denso para um me- nos denso. 26. (Unespar) Um anel condutor de raio a e resistência R é colocado em um campo magnético homogêneo no es- paço e no tempo. A direção do campo de módulo B é perpendicular à superfície gerada pelo anel e o sentido está indicado no esquema da fi gura a seguir. B a No intervalo ∆t = 1 s, o raio do anel varia para metade de seu valor. Calcule a intensidade e indique o sentido da corrente induzida no anel. Apresente os cálculos. 27. (UFU-MG) Tem se tornado cada vez mais comum o desen- volvimento de veículos de transporte de passageiros que fl utuam sobre o solo. Um dos princípios que permite a esses veículos “fl utuarem” sobre os trilhos é chamado de levitação eletrodinâmica, que ocorre quando há o movi- mento de um campo magnético nas proximidades de um material condutor de eletricidade. Segundo essa tecnologia, a levitação do veículo ocor- re porque: a) o movimento relativo de um material condutor gera força elétrica sobre o material magnético, criando um campo elétrico, o qual, com base na Lei de Coulomb, gerará em efeito repulsivo entre trem e trilhos, permi- tindo a “fl utuação”. b) a corrente elétrica gerada pelo material condutor cria um campo magnético sobre o material magnético, que estabelece uma diferença de potencial entre os trilhos e o trem, com base na Lei de Ohm, o que gera a repulsão. R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 71 8/7/18 9:08 AM 72 CAPÍTULO 3 c) o movimento relativo de um material magnético gera correntes em um material condutor, que criará um campo magnético, o qual, com base na Lei de Lenz, irá se opor à variação do campo criado pelo material magnético, gerando a repulsão. d) a corrente elétrica induzida no material magnético irá criar um campo magnético no material condutor, o qual, com base na Lei de Faraday, gerará uma força elétrica repulsiva sobre o material magnético, permi- tindo a “fl utuação”. 28. (UFMG) Um anel metálico rola sobre uma mesa, passando, sucessivamente, pelas posições P, Q, R e S, como represen- tado nesta fi gura: P Q R S B Na região indicada pela parte sombreada na fi gura, existe um campo magnético uniforme, perpendicular ao plano do anel, representado pelo símbolo B. Com relação à cor- rente elétrica induzida: a) é nula apenas em R e tem sentidos opostos em Q e em S. b) tem o mesmo sentido em Q, em R e em S. c) é nula apenas em R e tem o mesmo sentido em Q e em S. d) tem o mesmo sentido em Q e em S e sentido oposto em R. 29. (Acafe-SC) Um estudante elaborou um projeto para sua aula de Física. Projetou um agasalho para esquentar e, com isso, aquecer as pessoas. Para tanto, colocou um pêndulo nas mangas do agasalho, para oscilar com o movimento dos braços, ligado a um gerador elétrico que, por sua vez, estava ligado a um circuito de condutores para converter energia elétrica em térmica. A fi gura a seguir mostra o agasalho com o detalhamen- to do gerador, ou seja, um imã que oscila próximo a uma bobina. Assim, analise as seguintes afi rmações: ( ) A corrente elétrica produzida pelo gerador é contínua. ( ) O fenômeno que explica a geração de energia elé- trica nesse tipo de gerador é a indução eletro- magnética. ( ) A bobina provoca uma força magnética no imã que tenta impedir o movimento de oscilação do mesmo. ( ) A corrente induzida aparece porque um fl uxo mag- nético constante atravessa a bobina. ( ) Toda energia mecânica do movimento dos braços é convertida em energia térmica para aquecimento da pessoa. A sequência correta, de cima para baixo, é: a) F – V – V – F – F b) V – V – V – F – F c) F – V – F – F – V d) V – F – F – V – F 30. (UFU-MG) O esquema a seguir representa, ainda que re- sumidamente, o funcionamento do disco rígido de um computador, utilizado para armazenamento de dados. O conjunto é constituído por um braço giratório, sendo que, em uma de suas extremidades, há um cabeçote de leitura e gravação, que fi ca sobre o disco de armazenamento de dados. Na outra extremidade desse braço, há fi os enrolados em formato de espira, que se encontram sobre um ímã. Dependendo da direção que a corrente assume na espira, esse braço pode girar em torno de um eixo em sentido horário ou anti-horário, posicionando o cabeçote sobre o disco de armazenamento de dados no local desejado. Com base nas informações, responda: a) Se a corrente que percorre a espira tiver a direção indi- cada no esquema, o braço giratório se moverá em sen- tido horário ou anti-horário? Justifi que sua resposta. b) Sem alterar os componentes e a estrutura do disco rí- gido indicados na fi gura, qual medida pode ser toma- da para que o braço giratório gire mais rapidamente em torno de seu eixo? 31. +Enem [H21] Em uma região onde existe um campo mag- nético uniforme de intensidade B = 0,5 T saindo do plano da fi gura, há uma espira retangular ABCD cuja área pode variar com a movimentação do lado CD, de comprimento 80 cm, como mostra a fi gura. O lado AB da espira tem resistência elétrica R = 200 Ω. 80 cm V B R A D C B Se o lado CD se movimentar no sentido indicado com velocidade constante de 1,5 m/s, a corrente elétrica indu- zida na espira ABCD terá intensidade de: R e p ro d u ç ã o / A c a fe -S C , 2 0 1 6 . R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 72 8/7/18 9:08 AM 73 FÍ S IC A a) 3 mA e circulará no sentido anti-horário. b) 3 mA e circulará no sentido horário. c) 12 mA e circulará no sentido anti-horário. d) 12 mA e circulará no sentido horário. e) não haverá corrente elétrica induzida na espira. 32. (ITA-SP) O circuito mostrado na fi gura é constituído por um gerador com fem ε e um resistor de resistência R. Considere as seguintes afi rmações, sendo a chave S fechada: I. Logo após a chave S ser fechada, haverá uma fem au- toinduzida no circuito. II. Após um tempo sufi cientemente grande, cessará o fenômeno de autoindução no circuito. III. A autoindução no circuito ocorrerá sempre que hou- ver variação da corrente elétrica no tempo. S R ε Assinale a alternativa verdadeira. a) Apenas a I é correta. b) Apenas a II é correta. c) Apenas a III é correta. d) Apenas a II e a III são corretas. e) Todas são corretas. Vá em frente Acesse <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/faraday>. Acesso em: 10 abr. 2018. Utilize o aplicativo para simular variações de fl uxo magnético e verifi car o aparecimento de corrente elétrica induzida. <sejaetico.com.br/5bab686a849>. Acesso em: 10 abr. 2018. O texto “Tomografi a computadorizada versus ressonância magnética” trata da diferença entre dois exames de imagens importantes para a medicina: a tomografi a computadorizada e a ressonância magnética nuclear. Amplie seus conheci- mentos sobre o assunto. Autoavalia•‹o: V‡ atŽ a p‡gina 103 e avalie seu desempenho neste cap’tulo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c03_47a73.indd 73 8/7/18 9:08 AM ► Identifi car e diferenciar radiações que compõem o espectro eletromagnético. ► Compreender os perigos que alguns tipos de radiação oferecem ao organismo humano. ► Analisar os padrões de interferência decorrentes do experimento da dupla fenda. ► Reconhecer os fenômenos da difração e interferência. ► Compreender a quantização da luz e o signifi cado de fóton. ► Identifi car os tipos de aplicação do laser. Principais conceitos que você vai aprender: ► Ondas eletromagnéticas ► Espectro eletromagnético ► Radiação infravermelho ► Radiação ultravioleta ► Difração ► Interferência ► Laser ► Quantização da luz ► Fótons 74 OBJETIVOS DO CAPÍTULO eyeidea/S h u tte rsto ck 4 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Atualmente, a primeira pergunta que as pessoas fazem ao chegar a um restaurante é: “Qual é a senha do wifi ?”. A conectividade passoua ser considerada uma necessidade do ser humano. Em todo lugar e a qualquer momento, podemos receber e enviar mensagens, atender e fazer ligações usando celulares e smartphones. Da forma como os usamos, pa- rece até que eles sempre existiram. Entretanto, as primeiras transmissões sem fi o só se tornaram possíveis quando, em 1861, James Clerck Maxwell, desvendou o comportamento das ondas eletromagnéticas, desenvolvendo uma teoria por meios matemáticos, que deu origem às chamadas “equa- ções de Maxwell”. Na prática, sua teoria permitiu ao Alemão Heinrich Hertz, em 1887, reali- zar um experimento que comprovasse a existência das ondas eletromagnéticas. Somente em 1896, Guglielmo Marconi consegui vencer 52 km de distância por uma transmissão sem fi o, utilizando o telégrafo. Posteriormente a isso, os avanços na tecnologia de trans- missão sem fi o foram se multiplicando. Mesmo com as modernas redes de comunicação, ainda havia um desafi o. Toda comu- nicação de rádio é uma via de mão única, ou seja, para que uma transmissão seja respondi- da, é necessário que fi nalize essa etapa para que quem está do outro lado possa responder. Na telefonia móvel, que trabalha em bandas de frequência que variam de 700 MHz a 2,5GHz (GSM, 3G e 4G), esse problema é contornado por uma técnica de custo muito eleva- do e que não se aplica a todas os tipos de transmissões. Além disso, todas as transmissões e recepções não podem sofrer interferências, pois estas comprometeriam a segurança das chamadas. Mesmo com algumas difi culdades, os sistemas atuais, em regiões específi cas, conse- guem manter um padrão de qualidade aceitável no Brasil. • Você se sente seguro ao falar ou enviar uma mensagem a alguém em seu smartphone? Acredita que é possível que esses sinais sejam capturados? Neste capítulo, estudaremos o comportamento das ondas eletromagnéticas e como elas estão presentes em nossas vidas diariamente. Professor, aproveite o momento para evidenciar a habilidade 1 da matriz curricular do Enem, que consiste em: “Reconhecer carac- terísticas ou propriedades de fenô- menos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos.” Conscientize os alunos sobre os cuidados que se deve ter com o uso excessivo da tecnologia, sendo este um proble- ma, comprovadamente, prejudicial à saúde. Os avanços tecnológicos dos siste- mas de comunicação trazem, a cada momento, novas possibilidades de uso e conectividade, porém, ainda deixam a desejar quando se pensa na qualidade da comunicação. Comente com os alunos que diante de tantos vazamentos de informações em sistemas governamentais pelo mundo, teoricamente fechados, não é possível afi rmarmos que estamos 100% seguros quanto ao sigilo nas comunicações, por isso devemos ter muito cuidado com os repasses de informações. T Z ID O S U N /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 74 8/7/18 9:06 AM 75 FÍ S IC A A descoberta das ondas eletromagnéticas A Física, como qualquer outra ciência, passa por constantes transformações. Um exem- plo disso é a questão da natureza e comportamento da luz. No fi m do século XVII, uma polê- mica entre dois grandes físicos sobre a natureza da luz fi cou marcada na história da ciência. Isaac Newton (1642-1727) acreditava num modelo corpuscular em que a luz seria formada por um feixe de partículas movendo-se em altas velocidades, enquanto Christian Huygens (1629-1695) propunha um modelo ondulatório, ou seja, a luz deveria ser uma onda que se propaga no espaço transportando energia. Algumas décadas mais tarde, essa polêmica foi temporariamente resolvida. O físico britânico Thomas Young (1773-1829) realizou uma ex- periência na qual mostrou que a luz sofre difração e interferência, comprovando seu caráter ondulatório. Em meados do século XIX, a velocidade da luz já havia sido medida, experimentalmente, por diferentes cientistas. No entanto, continuava aberta a discussão sobre o tipo de onda em que consiste a luz. A unifi cação do eletromagnetismo por James C. Maxwell (1831-1879) lançou uma nova teoria no problema da natureza da luz. As equações propostas por ele pre- viam a existência de um novo tipo de onda, composta por oscilações alternadas de campos elétricos e magnéticos. Ainda segundo as equações, essas ondas deveriam se propagar com velocidade c dada por: c = 1 0 0 µ ⋅ ε em que µ 0 = 4π ⋅ 10–7 T ⋅ m/A e ε 0 = 8,85 ⋅ 10–12 F/m são a permeabilidade magnética e a permissividade elétrica do vácuo. Surpreendentemente, ao substituir esses valores na equação, obtemos: c = 1 4 10 8,85 10–7 –12π ⋅ ⋅ ⋅ H 3 ⋅ 108 m/s, que é a velocidade da luz. A conclusão, inevitável, foi que a luz é uma onda eletromagnética. Maxwell não só havia unifi cado a eletricidade e o magnetismo, mas também a óptica. A previsão de Maxwell foi verifi cada, em 1888, pelo cientista alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), que desenvolveu circuitos elétricos capazes de emitir e receber ondas eletro- magnéticas de diferentes frequências. Em homenagem a ele, a unidade de frequência no Sistema Internacional é o Hz (hertz). O espectro eletromagnético Uma carga elétrica gera, no espaço ao seu redor, um campo elétrico r E . Se essa car- ga estiver em repouso, o campo é eletrostático, ou seja, não varia no decorrer do tempo. Quando a carga passa a oscilar, de maneira periódica, em torno de uma posi- ção de equilíbrio, o campo elétrico nos pontos do espaço ao seu redor varia periodi- camente no decorrer do tempo. Por sua vez, a variação do campo elétrico induz um campo magnético, que também irá variar periodicamente com o tempo. A variação desse campo magnético induz um novo campo elétrico oscilante, que induz outro campo magnético oscilante, e assim por diante. As oscilações dos campos magnéti- cos e elétricos são perpendiculares e podem ser entendidas como a propagação de uma onda transversal, cujas oscilações são perpendiculares à direção do movimento da onda. A P h o to re s e a rc h e rs /L a ti n s to c k Experiência de Thomas Young: (A) um feixe de luz atravessa duas fendas próximas entre si e, em seguida, incide em um anteparo formando padrões de interferência (B) que fi caram conhecidos como “franjas de Young”. B Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 75 8/7/18 9:06 AM 76 CAPÍTULO 4 y z x B E Dependendo da frequência de oscilação dos campos elétricos e magnéticos, podemos ter um enorme espectro de diferentes tipos de radiações eletromagnéticas. Hoje, sabemos que a luz visível corresponde a uma pequena fração dessa gama de possíveis ondas eletromagnéticas. Considerando que todas se propagam com a mesma velocidade c = 3 ⋅ 108 m/s, a relação entre a frequência f e o comprimento de onda λ de uma onda eletromagnética é dada por: c = λ ⋅ f Portanto, quanto maior a frequência de uma onda eletromagnética, menor será seu comprimento de onda. A luz visível, por exemplo, corresponde à radiação eletromagnética com comprimento de onda entre 400 nm e 700 nm. As ondas de transmissão de rádio e a radiação infravermelha, por sua vez, têm comprimentos de onda maiores do que os da luz e, consequentemente, frequências menores do que a da luz. A radiação infravermelha é emitida naturalmente pelos objetos e é usada para a geração de imagens em que se contrastam diferentes temperaturas. Já na radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama têm frequências maiores e comprimentos de onda menores do que os da luz visível, o que faz com que tenham maior poder de penetração em tecidos moles. A fi gura a seguir mostra o espectro eletromagnético com os principais exemplos de radiações indicando as faixas de frequência e comprimento de onda. 10 –15 10 –14 10 –13 10 –12 10 –11 10 –10 10 –9 10 –8 10 –7 10 –6 10 –5 10 – 4 10 –3 10 –2 10 –1 1 10 102 103 104 1023 1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 InfravermelhasRaios gama RaiosX Ultravioleta Micro-ondas Ondas de rádio (m) f (Hz) Espectro visível, situado entre 400 nm (violeta) e 700 nm (vermelho) λ A B Representação de uma onda eletromagnética: os campos elétricos e magnéticos oscilam perpendicularmente entre si e à direção de propagação da onda. Im a g e P o in t F r/ S h u tt e rs to ck Iv M ir in /S h u tt e rs to ck (A) Imagem infravermelha contrastando diferentes temperaturas e (B) câmara de bronzeamento artifi cial que utiliza radiação ultravioleta. Defi nição Radiação eletromagnética : oscilação de campos elétricos e magnéticos que se sustenta e se propaga no espaço com velocidade de 300 000 km/s e não necessita de um meio material para se locomover. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 76 8/7/18 9:06 AM 77 FÍ S IC A Considerando que toda matéria é constituída por átomos e que estes contêm elétrons em constante movimento, concluímos que todos os objetos emitem radiação eletromagnética. As intensidades e os comprimentos de onda dessas radiações eletromagnéticas dependem do grau de agitação térmica dos elétrons, ou seja, dependem da temperatura do objeto. Quanto maior a temperatura, maiores são as intensidades e menores são os comprimentos de onda das radiações eletromagnéticas emitidas pelo objeto, como mostra a fi gura. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 500 1 000 1 500 2 000 in fr a ve rm e lh o U lt ra vi o le ta 7 500 k Luz visível Intensidade relativa 6 000 k 4 500 k Comprimento de onda (nm) A luz quantizada Um dos fenômenos que intrigavam os cientistas no fi m do século XIX era o efeito fo- toelétrico, que é a emissão de elétrons por uma superfície metálica quando ela é atingida por uma radiação eletromagnética. Em 1905, foi proposta uma descrição satisfatória desse fenômeno por Albert Einstein (1879-1955). A energia transportada pela luz não é uma gran- deza contínua, como se acreditava na época, mas quantizada. Em outras palavras, a luz é formada por pequenos pacotes de energia, que posteriormente foram chamados de fótons. A energia E de cada fóton de luz depende da frequência f da luz, de acordo com a equação: E = h ⋅ f em que h = 6,63 ⋅ 19–34 J ⋅ s é a constante de Planck. Com isso, deve-se notar que, quanto maior a frequência (menor o comprimento de onda) de uma radiação eletromagnética, maior é a energia dos fótons que compõem essa radiação. Atividades 1. (UFPR) Em um forno de micro-ondas são produzidas ondas com frequência de 2,5 ⋅ 109 Hz e de natureza eletromagnética, as quais são absorvidas por ressonância pelas moléculas dos alimentos, resultando no seu aquecimento. Com relação a essas ondas, é correto afi rmar: (01) Se a velocidade das ondas no interior do forno é de 3,0 ⋅ 108 m/s, elas têm comprimento de onda igual a 0,12 m. (02) As micro-ondas têm a mesma natureza que os raios X. (04) As micro-ondas deixariam de se propagar no interior do forno se nele fosse feito vácuo. (08) As micro-ondas podem ser refl etidas. (16) O período destas ondas é da ordem de 10–6 s. Dê a soma dos números dos itens corretos. (01) (V) c = λ ⋅ f s λ = c f s λ = ⋅ ⋅ 3 10 2,5 10 8 9 s λ = 0,12 m (02) (V) Ambas são eletromagnéticas. (04) (F) Ondas eletromagnéticas propagam-se no vácuo. (08) (V) Toda onda pode sofrer refl exão, é um fenômeno ondulatório comum entre elas. (16) (F) T = f 1 = ⋅ 1 2,5 109 s T = 4,0 ⋅ 10–10 s Soma = 11 (01 + 02 + 08) Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 77 8/7/18 9:06 AM 78 CAPÍTULO 4 2. Os raios X são produzidos em tubos de vácuo, nos quais elétrons são submetidos a uma rápida desaceleração ao colidirem contra um alvo metálico. Os raios X constituem um feixe de: a) elétrons b) fótons c) prótons d) nêutrons e) pósitrons Como os raios X são um exemplo de onda eletromagnética, eles são constituídos por fótons. Alternativa b 3. (Vunesp) Os eletroencefalogramas são medições de sinais elétricos oriundos do cérebro. As chamadas ondas cere- brais são usualmente classificadas como ondas δ (delta), com frequência até 4 Hz, θ (teta), de 4 a 7 Hz, α (alfa), de 7 a 14 Hz, e β (beta), acima de 14 Hz. Analise os gráficos. Gráfico I x (107 m) A m p lit u d e ( m ) 3 1 −1 6 Gráfico II x (108 m) A m p lit u d e ( m ) 3 6 1 −1 Considerando que os gráficos I e II sejam de ondas lumi- nosas com velocidade c = 3 ⋅ 108 m/s, as quais possuem a mesma frequência das ondas cerebrais, pode-se concluir que seus comprimentos de onda correspondem, respec- tivamente, a ondas: a) α e β b) α e δ c) β e δ d) δ e θ e) β e θ Grá�co I: 2 ⋅ λ 1 = 6 ⋅ 107 s λ 1 = 3 ⋅ 107 m c = λ 1 ⋅ f 1 s f 1 = c 1λ s f 1 = ⋅ ⋅ 3 10 3 10 8 7 s f 1 = 10 Hz Grá�co II: λ 2 = 6 ⋅ 108 m c = λ 2 ⋅ f 2 s f 2 = c 2λ s f 2 = ⋅ ⋅ 3 10 6 10 8 8 s f 2 = 0,5 Hz Alternativa b 4. (PUC-MG) Os chamados raios gama, raios ultravioleta e raios X são ondas eletromagnéticas de frequência e com- primentos de onda diferentes. Escolha a opção que rela- cione os seus comprimentos de onda em ordem crescente: a) raios ultravioleta – raios X – raios gama b) raios gama – raios X – raios ultravioleta c) raios X – raios ultravioleta – raios gama d) raios X – raios gama – raios ultravioleta e) raios gama – raios ultravioleta – raios X De acordo com o espectro eletromagnético, temos as seguin- tes relações de comprimentos de onda: λ gama , λ x , λ UV Alternativa b 5. +Enem [H21] Considerando que as radiações ionizantes têm frequências maiores que 1017 Hz, aproximadamente, e são capazes de produzir alterações químicas nos tecidos do corpo humano, quais são as radiações ionizantes? a) Ondas de rádio e ultravioleta. b) Micro-ondas e raios X. c) Raios X e raios gama. d) Infravermelha e luz visível. e) Luz visível e raios gama. Com base no espectro eletromagnético, somente os raios X e os raios gama têm frequências maiores que 1017 Hz. Alternativa c 6. (UEG-GO) Em 1900, Max Planck propôs uma explicação sobre a radiação de corpo negro. Sua equação ficou co- nhecida em todo o mundo porque relacionava pela primei- ra vez a energia emitida por um corpo negro com a sua frequência de emissão em pacotes discretos, chamados de fótons. A constante de proporcionalidade ficou conhecida como constante de Planck. A unidade de medida dessa constante é dada por: a) kg ⋅ m2/s2 b) Hz c) J ⋅ s d) cal/g °C e) J/kg Conforme a equação de energia: E = h ⋅ f s h = E f A unidade de medida da constante de Planck é dada por: [h] = J Hz s [h] = [J ⋅ s] Alternativa c Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 78 8/7/18 9:06 AM 79 FÍ S IC A 7. (Enem) DAVIS, J. Disponível em: <http://gar� eld.com>. Acesso em: 15 ago. 2014. A faixa espectral da radiação solar que contribui fortemente para o efeito mostrado na tirinha é caracterizada como: a) visível. b) amarela. c) vermelha. d) ultravioleta. e) infravermelha. A radiação solar corresponde na faixa espectral à radiação ultravioleta que tem baixo comprimento de onda e, consequentemente, maior frequência e energia transportada, podendo apresentar riscos para formas de vida. Alternativa d 8. (Enem) A passagem de uma quantidade adequada de corrente elétrica pelo fi lamento de uma lâmpada deixa-o incandescen- te, produzindo luz. O gráfi co a seguir mostra como a intensidade da luz emitida pela lâmpada está distribuída no espectro eletromagnético, estendendo-se desde a região do ultravioleta (UV) até a região do infravermelho. 0,2 0,4 0,6 Comprimento de onda (µm) In te n si d a d e d a r a d ia çã o Visível Infravermelho (calor) UV 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 A efi ciência luminosa de uma lâmpada pode ser defi nida como a razão entre a quantidade de energia emitida na forma de luz visível e a quantidade total de energia gasta para o seu funcionamento. Admitindo-se que essas duas quantidades possam ser estimadas, respectivamente, pela área abaixoda parte da curva correspondente à faixa de luz visível e pela área abaixo de toda a curva, a efi ciência luminosa dessa lâmpada seria de aproximadamente: a) 10% b) 15% c) 25% d) 50% e) 75% 0,2 0,4 0,6 Comprimento de onda (µm) In te n si d a d e d a ra d ia çã o Visível Infravermelho (calor) UV 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 1 2 Na � gura, a área 1 corresponde à parcela da luz visível e a área 2 corresponde ao infravermelho. Praticamente, não temos emissão de radiação ultravioleta. Como as alturas dos triângulos são iguais, as respectivas áreas são proporcionais às bases. Assim, a área 2 é três vezes a área 1, pois a área 2 tem uma base constituída por seis unidades de comprimento e a área 1, por duas unidades. Nessas condições: A Total = A 1 +A 2 é proporcional a oito unidades de comprimento. Portanto, a relação entre a quantidade de energia emitida na região visível é 1 4 , ou 25%, da quantidade total de energia emitida. Alternativa c R e p ro d u ç ã o / E n e m , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 79 8/7/18 9:06 AM 80 CAPÍTULO 4 Complementares Tarefa proposta 1 a 16 eletromagnética, de natureza semelhante à luz. A maioria dos raios X possuem comprimentos de onda entre 0,01 a 10 nanômetros, correspondendo a frequências na faixa de 30 petahertz a 30 exahertz (3 ⋅ 1016 Hz a 3 ⋅ 1019 Hz) e energias entre 100 eV até 100 keV. Em relação à radiação X, assinale a alternativa correta. a) Há dois tipos de campos oscilantes envolvidos, que são os campos elétrico e magnético, paralelos entre si. b) Não sofre interferência, polarização, refração ou refl exão. c) É composta de ondas longitudinais. d) Em geral, apresenta maior facilidade de penetração em tecidos moles que a luz visível. 12. (Vunesp) Numa experiência clássica, coloca-se dentro de uma campânula de vidro onde se faz o vácuo, uma lan- terna acesa e um despertador que está despertando. VácuoVácuo A luz da lanterna é vista, mas o som do despertador não é ouvido. Isso acontece porque: a) o comprimento de onda da luz é menor que o do som. b) nossos olhos são mais sensíveis que nossos ouvidos. c) o som não se propaga no vácuo e a luz, sim. d) a velocidade da luz é maior que a do som. e) o vidro da campânula serve de blindagem para o som mas não para a luz. 9. (Enem) A telefonia móvel no Brasil opera com celulares cuja potência média de radiação é cerca de 0,6 W. Por reco- mendação do ANSI/IEEE, foram estipulados limites para exposição humana à radiação emitida por esses aparelhos. Para o atendimento dessa recomendação, valem os conse- lhos: segurar o aparelho a uma pequena distância do ouvido, usar fones de ouvido para as chamadas de voz e utilizar o aparelho no modo viva voz ou com dispositivos bluetooth. Essas medidas baseiam-se no fato de que a intensidade da radiação emitida decai rapidamente conforme a distância aumenta, por isso, afastar o aparelho reduz riscos. COSTA, E. A. F. Efeitos na saúde humana da exposição aos cam- pos de radiofrequência. Disponível em: <www.ced.ufsc.br>. Acesso em: 16 nov. 2011. (Adaptado). Para reduzir a exposição à radiação do celular de forma mais efi ciente, o usuário deve utilizar: a) fones de ouvido, com o aparelho na mão. b) fones de ouvido, com o aparelho no bolso da calça. c) fones bluetooth, com o aparelho no bolso da camisa. d) o aparelho mantido a 1,5 cm do ouvido, segurado pela mão. e) o sistema viva voz, com o aparelho apoiado numa mesa de trabalho. 10. (Unicamp-SP) Pesquisas atuais no campo das comunica- ções indicam que as “infovias” (sistemas de comunicações entre redes de computadores como a internet, por exem- plo) serão capazes de enviar informação através de pulsos luminosos transmitidos por fi bras ópticas com a frequência de 1011 pulsos/segundo. Na fi bra óptica a luz se propaga com velocidade de 2 ⋅ 108 m/s. a) Qual o intervalo de tempo entre dois pulsos de luz consecutivos? b) Qual a distância (em metros) entre dois pulsos? 11. (Acafe-SC) Ainda amplamente usada na medicina, a ra- diação X (composta por raios X) é uma forma de radiação Polariza•‹o da luz A propagação de uma onda transversal pode ocorrer em diversos planos perpen- diculares à direção de propagação da onda: são as chamadas ondas não polarizadas. Por sua vez, quando as oscilações ocorrem em um único plano perpendicular à dire- ção de propagação da onda, ela é polarizada. Nas fontes de luz comuns, como o Sol ou as lâmpadas, os elétrons que geram as ondas eletromagnéticas oscilam independentemente uns dos outros. Com isso, quando captamos a luz emitida por essas fontes, ela é composta por vários feixes de ondas, com vários planos de vibração, ou seja, é uma radiação não polarizada, como mostra a fi gura. Propaga•‹o Em uma onda eletromagnética não polarizada, os campos elétricos e magnéticos oscilam em vários planos diferentes. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 80 8/7/18 9:06 AM 81 FÍ S IC A Grande parte da luz refl etida por vidraças e poças de água é polarizada. Nesse caso, o uso de lentes polarizadoras pode eliminar refl exos indese- jados, permitindo melhor visualização dos objetos, como mostra a fi gura. Por exemplo, muitos óculos escuros têm lentes polarizadoras que bloqueiam parte da luz inciden- te, permitindo ao usuário uma visualização mais confortável. 1 Uso de uma lente polarizadora para visualização da luz refl etida pelas águas do mar. Difração A comprovação de que a luz tem caráter ondulatório, feita pelo físico inglês Thomas Young (1773-1829), mostrou que um feixe luminoso pode sofrer difração e interferência. O fenômeno da difração corresponde à capacidade das ondas de contornar ou trans- por obstáculos. Para ilustrar a difração de uma onda, considere um tanque contendo água, dividido em duas regiões, que se comunicam por uma fenda. Se batermos com uma régua na água em umas das regiões, geraremos ondas retas que se propagam e atingem a fenda, passando a se propagar na outra região. No entanto, nota-se que as ondas con- tornam os cantos da fenda e se espalham, como se tivessem sido geradas por uma fonte puntiforme localizada na fenda. Fenda Fonte de ondas Obst‡culos Esse fenômeno também ocorre com a luz. Entretanto, a difração é mais evidente quan- do o tamanho da fenda (ou obstáculo) é da ordem de grandeza do comprimento de onda. Como a luz tem comprimento de onda muito pequeno, só conseguimos verifi car sua difra- ção quando a fenda é muito estreita. S C O T T C H A N /S h u tt e rs to c k Atenção 1 Apenas ondas transversais podem ser polarizadas; as ondas longitudinais não sofrem polarização. A N D R E W L A M B E R T Difração de ondas. Ondas planas espalham-se em ondas circulares ao atravessarem a fenda. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 81 8/7/18 9:06 AM 82 CAPÍTULO 4 Interferência da luz Vamos agora descrever o experimento da dupla fenda realizado por Thomas Young. Na montagem mostrada na fi gura a seguir, a luz incide em um primeiro anteparo, conten- do uma única fenda S 0 , e sofre difração, produzindo ondas esféricas centradas na fenda. Em seguida, essas ondas incidem em um segundo anteparo contendo duas fendas, S 1 e S 2 , muito próximas entre si. Com isso, essas fendas atuam como duas fontes puntiformes de ondas esféricas coerentes. Ao atingirem o terceiro anteparo, essas ondas sofrem in- terferências entre si, que podem ser verifi cadas pela formação de linhas claras e escuras alternadas, representando as regiões que sofreram interferência construtiva e destrutiva, respectivamente. S0 S1 S2 Feixe difratado de S2 Feixe difratado de S1 Brilhante Brilhante Escuro Brilhante Escuro y n d L Considere que as fendas estão separadas por uma pequena distância d e se localizam a uma distância L do anteparo, no qual ocorrem as interferências. Sendo λ o comprimento de onda, é possível mostrar que a distância y n do centro até à n-ésima franja clara,contada a partir da franja clara central, é dada por: y n = λ⋅ ⋅λ⋅ ⋅n d l Desenvolva H1 Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em dife- rentes contextos. Apesar do crescente aumento no número de linhas novas de telefonia móvel no Brasil, a qualidade das comunicações ainda deixa a desejar. Mesmo com as melhorias trazidas pelo 3G, 3G-plus e 4G, a conectividade ainda sofre, em função da má distribui- ção de antenas para garantir uma cobertura ampla e de qualidade em todo o país. Existem regiões onde é grande a concentração de antenas e se oferece uma qualidade boa das chamadas. Mas em outras regiões o número de antenas é insu� ciente para com- portar o número de aparelhos existentes. Mesmo com todas essas di� culdades, já está anunciada a chegada do 5G. “O 5G deve ser um dos maiores avanços da indústria para a popularização da Internet das coisas, o cenário em que objetos coti- dianos e dispositivos estão todos conectados entre si, incluindo na sua própria casa – sensores, eletrodomésticos, portas e mais”. KLEINA, N. O 5G vem aí: veja as mudanças, novas velocidades e tudo sobre a tecnologia. TecMundo. Disponível em: <www.tecmundo.com.br/5g/106782-5g-vem-ai-veja-mudancas-novas-velocidades-tudo-tecnologia.htm>. Acesso em: 28 jun. 2018. Como isso será possível? Organizem-se em grupos e pesquisem sobre os principais benefícios que os usuários de telefonia móvel terão quando o 5G estiver completamente implementado. Além dos benefícios, destaquem também quais serão as maiores difi culdades que as empresas desenvolvedoras do 5G enfrentarão nessa implementação. Professor, con� ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 82 8/7/18 9:06 AM 83 FÍ SI CA Decifrando o enunciado Lendo o enunciado Fique atento às unidades de medida, envolvidas na questão. Observe que a formação de franjas indica que a luz do laser contornou o obstáculo (fi o de cabelo). Isso caracteriza o fenômeno da difração. A formação de franjas ocorre em função do fenômeno da interferência, destrutiva e construtiva. Para se verifi carem os fenômenos da difração e interferência, são necessários apenas uma caneta laser e um fi o de cabelo. Em um quarto escuro, coloca-se o fi o de cabelo, esticado, paralelamente a uma parede. Em seguida, incide-se o feixe de luz laser contra o fi o de cabelo, como mostra a fi gura a seguir, observando-se regiões iluminadas alternadas com regiões não iluminadas na parede. Parede Secção transversal do �o de cabelo Luz laser L d y Considere que no experimento a luz laser tenha comprimento de onda de 640 nm e a distância entre o fi o de cabelo e a parede seja L = 2,5 m. Após verifi car que a distância entre a franja central e a primeira franja clara na parede é y = 2 cm, pode-se estimar que o diâmetro d do fi o de cabelo é, aproximadamente: a) 0,001 mm b) 0,01 mm c) 0,1 mm d) 1,0 mm e) 10 mm Resolução Resposta: C Com base na equação da interferência e considerando n = 1, temos: y n = λ⋅ ⋅ Ln d s d = 1 y1 Lλ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ 640 10 3 2 10 –9 –2 s d = 9,6 ⋅ 10–5 m = 0,096 ⋅ 10–3 m H 0,1 mm E se fosse possível? Tema integrador Trabalho, ciência e tecnologia Os diversos canais de comunicação existentes nos permitem receber informações praticamente em tempo real. Seja por meio das redes sociais ou das comunicações via satélite, um emaranhado de ondas eletromagnéticas cruzam o espaço a todo momento. E se fosse possível visualizarmos todas essas ondas? Pesquise se é possível visualizar todos os tipos de onda simultaneamente e como elas chegam até nós. Laser Em 1916, o físico Albert Einstein mostrou, teoricamente, que, em determinadas condições, um átomo pode ser estimulado a emitir uma onda eletromagnética em fase e com a mesma frequência da onda que recebe. Décadas mais tarde, três físicos estadunidenses, Charles H. Townes, James P. Gordone Herbert J. Zeiger, baseando-se nas ideias de Einstein, produziam o primei- ro maser (microwave amplifi cation through stimulated emission of radiation), um dispositivo capaz de produzir micro-ondas coerentes. O termo laser surge em 1959, quando Gordon Gould publica o artigo The laser, light amplifi cation by stimulated emission of radiation. A diferença entre o feixe de luz laser e a luz comum está na coerência, e não na natureza da radiação em si. Enquanto a luz comum (luz branca) é incoerente – os fótons representam frequências e fases diferentes –, no laser, a luz é coerente (mesma frequência, mesma fase e mesma direção de propagação). A B C (A) Luz branca comum: ondas de várias frequências em diferentes fases; (B) luz monocromática: única frequência, mas com fases diferentes; (C) laser: mesma frequência e mesma fase (coerentes e polarizadas). Professor, con� ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 83 8/7/18 9:06 AM 84 CAPÍTULO 4 A luz laser é encontrada em diversas aplicações. Na medicina, por exemplo, o laser é usado em cirurgias, principalmente na área oftálmica. Nas telecomunicações, o exemplo são as fi bras ópticas. No comércio e na indústria, o laser é utilizado no controle de estoques no comércio, por meio do código de barras, e no corte de chapas metálicas. A CB Aplicações do laser: (A) transmissão de dados em fi bras ópticas; (B) controle de estoque por meio do código de barras; (C) corte de chapas metálicas nas indústrias. V a rt a n o v A n a to ly /S h u tt e rs to ck C h ri s ti a n D e lb e rt /S h u tt e rs to ck Contextualize Em 2011, engenheiros da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, desenvolveram os primeiros transmissores capazes de enviar e receber informações ao mesmo tempo. Eles descobriram uma maneira desses transmissores � ltrarem suas próprias transmissões e ao mesmo tempo processar as que estariam recebendo. Isso claramente tornaria a transmissão uma via de mão dupla, o que dobraria de imediato as velocidades das redes wireless. Recentemente, pesquisadores da Cornell University desenvolveram uma técnica em que um único chip é capaz de receber e transmitir informações. Com base nos trabalhos dos engenheiros de Stanford, os pesquisadores de Cornell, utilizando o conceito de subtransmissores, construíram um chip capaz de trabalhar nas diversas faixas de frequências, das bandas existentes, além de controlá-las digitalmente sem a necessidade de � ltros físicos. Esse avanço contribuirá ainda mais para as exigências do mundo moderno, que, em relação à conectividade, são cada vez maiores. E a tecnologia vem respondendo de maneira rápida a essa necessidade com a evolução nas velocidades e multiplicidades na transmissão de dados. Não demorará muito e estaremos, de fato, 100% conectados a tudo e a todos. VIEWPOINT: Not Every Exit is an Entrance. Physics. Disponível em: <https://physics.aps.org/articles/v5/78>. Acesso em: 28 jun. 2018. (Adaptado.) Quais são os meios de transmissão de dados que você conhece? Em sua cidade, quais meios de transmissão existem? Professor, con� ra no manual as respostas às questões e mais informações sobre o tema de estudo. a le x s k o p je /S h u tt e rs to ck A fr ic a S tu d io /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 84 8/7/18 9:06 AM 85 FÍ S IC A Atividades 13. O fenômeno da polarização tem uma particularidade em relação aos outros fenômenos ondulatórios. Qual é essa particularidade? A polarização só ocorre em ondas transversais, diferentemente dos outros fenômenos que acontecem em todos os tipos de onda. 14. (Unicamp-SP) Nos últimos anos, o Brasil vem implantando em diversas cidades o sinal de televisão digital. O sinal de televisão é transmitido através de antenas e cabos, por ondas eletromagnéticas cuja velocidade no ar é aproxima- damente igual àda luz no vácuo (c = 3 ⋅ 108 m/s). a) Um tipo de antena usada na recepção do sinal é a log-periódica, representada na fi gura a seguir, na qual o comprimento das hastes metálicas de uma extremi- dade à outra, L, é variável. A maior efi ciência de recep- ção é obtida quando L é cerca de meio comprimento de onda da onda eletromagnética que transmite o sinal no ar L = λ 2 . Encontre a menor frequência que a antena ilustrada na fi gura consegue sintonizar de forma efi ciente e marque na fi gura a haste corres- pondente. Hastes 5 c m A menor frequência corresponde ao maior comprimento de onda. Portanto, na antena, devemos considerar a maior haste, que tem um comprimento de: L máx. = 6 ⋅ 5 = 30 cm Dessa forma, o comprimento de onda será de: 2 2 30sL λ λ= = ⋅ = 60 cm Usando a equação fundamental da ondulatória e conside- rando a velocidade da luz igual a 3 ⋅ 108 m/s, temos: v = λ ⋅ f s f = c λ = ⋅3 10 0,6 8 s f = 5 ⋅ 108 Hz b) Cabos coaxiais são constituídos por dois condutores separados por um isolante de índice de refração n e constante dielétrica K, relacionados por K = n2. A velocidade de uma onda eletromagnética no inte- rior do cabo é dada por v = c n . Qual é o comprimen- to de onda de uma onda de frequência f = 400 MHz que se propaga num cabo cujo isolante é o polietileno (K = 2,25)? Sendo K = 2,25, podemos determinar n: K = n2 s 2,25 = n2 s n = 1,5 Com isso, podemos determinar a velocidade da luz no cabo: v = n c = ⋅3 10 1,5 8 s v = 2 ⋅ 108 m/s Usando a equação fundamental da ondulatória, temos: v = λ ⋅ f s λ = c f = ⋅ ⋅ 2 10 4 10 8 8 s λ = 0,5 m 15. (Enem) Ao sintonizar uma estação de rádio AM, o ouvinte está selecionando apenas uma dentre as inúmeras ondas que chegam à antena receptora do aparelho. Essa seleção acontece em razão da ressonância do circuito receptor com a onda que se propaga. O fenômeno físico abordado no texto é dependente de qual característica da onda? a) Amplitude b) Polarização c) Frequência d) Intensidade e) Velocidade Quando se tem a frequência de vibração de uma fonte, prati- camente coincidente com a frequência natural de um elemen- to, há ressonância. Nesse caso, o recebimento de energia é ampli� cado, permitindo assim uma melhor sintonia da esta- ção de rádios. Alternativa c Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 85 8/7/18 9:06 AM 86 CAPÍTULO 4 16. (UFRGS-RS) A figura I, abaixo, representa esquematica- mente o experimento de Young. A luz emitida pela fonte F ao passar por dois orifícios, dá origem a duas fontes de luz F 1 e F 2 idênticas, produzindo um padrão de interferência no anteparo A. São franjas de interferência, compostas de faixas claras e escuras, decorrentes da superposição de ondas que chegam no anteparo. A figura II, abaixo, representa dois raios de luz que atin- gem o anteparo no ponto P. A onda oriunda do orifício F 1 percorre uma distância maior que a onda proveniente do orifício F 2 A diferença entre as duas distâncias é ∆L. Assinale a alternativa que preenche corretamente as la- cunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. Se, no ponto P há uma franja escura, a diferença ∆L deve ser igual a um número __________ de comprimentos de onda. No ponto central O, forma-se uma franja __________ de- corrente da interferência __________ das ondas. a) inteiro – escura – destrutiva b) inteiro – escura – construtiva c) inteiro – clara – construtiva d) semi-inteiro – escura – destrutiva e) semi-inteiro – clara – construtiva De acordo com as �guras, no ponto central, temos as franjas claras onde a interferência tem característica construtiva. Para as franjas escuras, temos ocorrência de interferên- cia destrutiva, caracterizadas pelo comprimento de onda (semi-inteiro), 2 λ . Alternativa e 17. (Furg-RS) A figura seguinte é uma representação esque- mática da experiência de Young no estudo da interferência da luz. Feixe de luz monocromático Parede opaca Linha de referência Anteparo F 1 F 2 C Um feixe de luz monocromático incide perpendicularmente sobre a parede opaca da esquerda, que tem duas fendas, F 1 e F 2 , próximas entre si. A luz, após passar pelas fendas, forma uma figura de interferência no anteparo da direita. O ponto C é a posição do primeiro ponto de interferên- cia destrutiva, contada a partir da interferência construtiva central (indicada pela linha de referência). Sabendo que a diferença de percurso entre as luzes provenientes de F 1 e F 2 até o ponto C é de 2,7 ⋅ 10–7 m, faça o que se pede. a) Determine o comprimento de onda da luz usada no experimento. De acordo com a ondulatória, para uma interferência des- trutiva, temos: d λ = 0,5; 1,5; 2,5; ... Para a primeira interferência destrutiva: d λ = 0,5. Nessas condições: λ = ⋅2,7 10 0,5 –7 s λ = 5,4 ⋅ 10–7 m b) Com base na tabela seguinte, qual é a cor da luz mo- nocromática? Cor Comprimento da onda (m) Vermelha 6,5 ⋅ 10–7 Amarela 5,7 ⋅ 10–7 Verde 5,4 ⋅ 10–7 Azul 4,8 ⋅ 10–7 Violeta 4,5 ⋅ 10–7 Observando a tabela, a luz monocromática apresenta um comprimento de onda da cor verde. R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S , 2 0 1 8 . R e p ro d u ç ã o / U F R G S -R S , 2 0 1 8 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 86 8/7/18 9:06 AM 87 FÍ SI CA 18. (Unisc-RS) A radiação eletromagnética tem uma natureza bastante complexa. Em fenômenos de interferência, por exemplo, ela apresenta um comportamento __________. Já em processo de emissão e de absorção ela pode apre- sentar um comportamento ___________. Pode também ser descrita por “pacotes de energia” (fótons) que se movem no vácuo com velocidade de aproximadamente 300 000 km/s e têm massa ___________. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas. a) ondulatório – ondulatório – nula b) ondulatório – corpuscular – nula c) ondulatório – corpuscular – diferente de zero d) corpuscular – ondulatório – diferente de zero e) ondulatório – ondulatório – diferente de zero Alternativa b 19. (Enem) A epilação a laser (popularmente conhecida como depilação a laser) consiste na aplicação de uma fonte de luz para aquecer e causar uma lesão localizada e contro- lada nos folículos capilares. Para evitar que outros tecidos sejam danifi cados, selecionam-se comprimentos de onda que são absorvidos pela melanina presente nos pelos, mas que não afetam a oxi-hemoglobina do sangue e a água dos tecidos da região em que o tratamento será aplicado. A fi gura mostra como é a absorção de diferentes compri- mentos de onda pela melanina, oxi-hemoglobina e água. MACEDO, F. S.; MONTEIRO, E. O. Epilação com laser e luz intensa pulsada. Revista Brasileira de Medicina. Disponível em: <www.moreirajr.com.br>. Acesso em: 4 set. 2015 (adaptado). Qual é o comprimento de onda, em nm, ideal para a epi- lação a laser? a) 400 b) 700 c) 1 100 d) 900 e) 500 Observando o grá� co, podemos identi� car que para o compri- mento de onda de 700 nm, não ocorre absorção por parte da oxiemoglobina e da água. Alternativa b 20. +Enem [H1] Uma lâmpada incandescente de 100 W con- segue iluminar um aposento, mas não consegue fundir uma chapa de aço. No entanto, um laser de 100 W conse- gue fundir uma chapa de aço, mas não consegue iluminar um aposento. Qual das explicações a seguir mostra essa diferença com base na característica da luz produzida nos dois dispositivos? a) A luz branca é incoerente e se espalha de maneira fá- cil, o que a vai tornando menos intensa. A luz do laser é coerente e não se espalha muito, assim apresenta a mesma intensidade em toda sua extensão. b) A luz branca é coerente e se espalha de maneira fácil, o que a vai tornando menos intensa. A luz do laser é incoerente e não se espalha muito, assim apresenta a mesma intensidade em toda sua extensão. c) A luz branca é coerente e não se espalha muito, assim apresenta a mesma intensidade em todasua extensão. A luz do laser é incoerente e se espalha de maneira fácil, o que a vai tornando menos intensa. d) A luz branca é incoerente e não se espalha muito, assim apresenta a mesma intensidade em toda sua extensão. A luz do laser é coerente e se espalha de maneira fácil, o que a vai tornando menos intensa. e) Ambas são coerentes e não se espalham muito, mas o laser é mais intenso por ter comprimento de onda menor. Enquanto a luz comum (luz branca) é incoerente – os fótons têm frequências e fases diferentes –, a luz do laser é coerente (mesma frequência, mesma fase e mesma direção de propa- gação). Em outras palavras, um feixe de luz emitido por uma lâmpada comum se espalha rapidamente e, à medida que � ca mais “largo”, torna-se menos intenso. Contudo, o feixe de luz do laser propaga-se praticamente sem sofrer variações em seu comprimento e mantendo sua intensidade. Alternativa a Complementares Tarefa proposta 17 a 32 21. (UFRGS-RS) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. A luz é uma onda eletromagnética formada por campos elétricos e magnéticos que variam no tempo e no espaço e que, no vá- cuo, são ________ entre si. Em um feixe de luz polarizada, a direção da polarização é defi nida como a direção ________ da onda. a) paralelos – do campo elétrico b) paralelos – do campo magnético c) perpendiculares – de propagação d) perpendiculares – do campo elétrico e) perpendiculares – do campo magnético R e p ro d u ç ã o / E n e m , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 87 8/7/18 9:06 AM 88 CAPÍTULO 4 22. Na fi gura A, uma fonte luminosa ilumina uma placa re- tangular contendo um buraco de grandes dimensões. Na tela, colocada abaixo da placa, observa-se uma sombra com os contornos do buraco bem-defi nidos. Quando as di- mensões do buraco são reduzidas, formando-se uma fenda estreita, conforme mostra a fi gura B, os contornos da fenda não são muito bem-defi nidos. Explique por que isso acontece. A B 23. (Enem) Nas rodovias, é comum motoristas terem a visão ofuscada ao receberem a luz refletida na água empoça- da no asfalto. Sabe-se que essa luz adquire polarização horizontal. Para solucionar esse problema, há a possibili- dade de o motorista utilizar óculos de lentes constituídas por fi ltros polarizadores. As linhas nas lentes dos óculos representam o eixo de polarização dessas lentes. Quais são as lentes que solucionam o problema descrito? a) b) c) d) e) 24. O primeiro laser a gás empregava uma mistura de hélio e neônio e produzia um feixe de ondas eletromagnéticas de comprimento de onda 1,15 µm. Com base na tabela a seguir, a radiação emitida por esse laser era: (Dado: c = 3 ⋅ 108 m/s) Frequência (1014 Hz) Cor 6,9 Azul 6,2 Azul-esverdeada 5,1 Amarela 3,9 Vermelha 2,6 Infravermelha a) azul. b) azul-esverdeada. c) amarela. d) infravermelha. e) vermelha. Tarefa proposta 1. Newton achava que a luz era uma partícula. Anos mais tarde, Young demonstrou que a luz apresentava um comportamento ondulatório. Que fator levou Young a comprovar o comportamento ondulatório da luz? 2. (Furg-RS) A respeito do espectro eletromagnético, pode- mos afi rmar que: a) a frequência da luz visível é da ordem de 97,1 MHz. b) os raios gama possuem a menor frequência. c) as ondas curtas possuem o maior comprimento de onda. d) as ondas curtas possuem a maior frequência. e) os raios gama possuem a maior frequência. 3. Quando aumentamos a frequência de uma onda eletro- magnética, o que acontece com o quantum de energia? Justifi que. 4. (UFRN) Uma das tecnologias modernas que mais se difundem na sociedade é a dos aparelhos celulares. Com eles, pode-se falar com qualquer pessoa em, pra- ticamente, todas as regiões do planeta. Ao se usar o celular para conversar com alguém, o aparelho emite ondas que são captadas através das antenas recepto- ras e, depois, retransmitidas até chegar à antena do celular do interlocutor. Pode-se afirmar que, durante a conversa, as ondas emitidas e captadas entre os celu- lares se propagam: a) apenas na direção da antena receptora e são de natu- reza sonora. b) em todas as direções e são de natureza eletromagnética. c) apenas na direção da antena receptora e são de natu- reza eletromagnética. d) em todas as direções e são de natureza sonora. 5. (Enem) Nossa pele possui células que reagem à incidência de luz ultravioleta e produzem uma substância chama- da melanina, responsável pela pigmentação da pele. Pensando em se bronzear, uma garota vestiu um biquíni, acendeu a luz de seu quarto e deitou-se exatamente abaixo da lâmpada incandescente. Após várias horas ela percebeu que não conseguiu resultado algum. O bronzeamente não ocorreu porque a luz emitida pela lâmpada incandescente é de: a) baixa intensidade. b) baixa frequência. c) um espectro contínuo. d) amplitude inadequada. e) curto comprimento de onda. R e p ro d u ç ã o / E n e m , 2 0 1 6 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 88 8/7/18 9:06 AM 89 FÍ S IC A 6. (UFRGS-RS) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que aparecem. A radiação luminosa emitida por uma lâmpada a vapor de lítio atravessa um bloco de vidro transparente, com índice de refração maior que o do ar. Ao penetrar no bloco de vidro, a radiação luminosa tem sua frequência __________. O com- primento de onda da radiação no bloco é __________ que no ar e sua velocidade de propagação é __________ que no ar. a) alterada – maior – menor b) alterada – o mesmo – maior c) inalterada – maior – menor d) inalterada – menor – menor e) inalterada – menor – a mesma 7. (UCS-RS) Muito se comenta a respeito dos efeitos nocivos dos raios ultravioleta do Sol. Comparando-os aos raios violeta, que não são considerados nocivos, qual diferença encontramos? a) A radiação ultravioleta possui comprimento de onda menor. b) A radiação ultravioleta possui comprimento de onda maior. c) A radiação violeta propaga-se mais rapidamente no vácuo. d) A radiação violeta propaga-se mais lentamente no vácuo. e) A frequência do ultravioleta fi ca em um valor intermediário entre a frequência do azul e a do violeta. 8. Apesar de serem os extremos do espectro eletromagnético, na faixa do visível, as frequências da luz vermelha, 4,3 ⋅ 1014 Hz, e a da luz violeta, 7,5 ⋅ 1014 Hz, diferem em apenas uma ordem de grandeza. Encontre a razão entre a energia de um fóton da luz vermelha e de um fóton da luz violeta. 9. (Acafe-SC) Na medicina os raios X são utilizados nas análises das condições dos órgãos internos, pesquisas de fraturas, tratamento de tumores, câncer (ou cancro), doenças ósseas, etc. Raios X são basicamente o mesmo que os raios de luz visíveis, ou seja, formado por ondas eletromagnéticas que se propagam no vácuo à velocidade da luz. Em relação aos raios X, analise as afi rmações a seguir. l. Os raios X estão sujeitos ao fenômeno da refl exão, refração, difração e interferência. II. Sua penetrância nos materiais é relevante, pois todas as substâncias são penetradas pelos raios X em maior ou menor grau. III. Por estar sujeito à refl exão, os raios X não penetram os ossos. IV. A diferença entre raios X e raios de luz visível é devida ao comprimento de onda diferente dos mesmos. Todas as afi rmações corretas estão em: a) I – II – III b) I – II – IV c) II – III d) III – IV 10. (UFSM-RS) Na fi gura a seguir, é representado o espectro eletromagnético, nome dado ao ordenamento das ondas eletro- magnéticas por frequência ou por comprimento de onda. A luz visível corresponde a uma fatia estreita desse espectro. Analise, então, as afi rmativas: I. Todas as ondas eletromagnéticas têm a mesma velocidade no vácuo. II. A frequência das ondas de rádio é menor que a frequência da luz visível. III. A frequência da luz conhecida como infravermelho pode provocarbronzeamento e causar o câncer de pele. Está(ão) correta(s): a) apenas I. b) apenas II. c) apenas III. d) apenas I e II. e) apenas II e III. R e p ro d u ç ã o / F u v e s t- S P, 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 89 8/7/18 9:06 AM 90 CAPÍTULO 4 11. (Enem) Considere um equipamento capaz de emitir radia- ção eletromagnética com comprimento de onda bem me- nor que a da radiação ultravioleta. Suponha que a radiação emitida por esse equipamento foi apontada para um tipo específico de filme fotográfico e entre o equipamento e o filme foi posicionado o pescoço de um indivíduo. Quanto mais exposto à radiação, mais escuro se torna o filme após a revelação. Após acionar o equipamento e revelar o filme, evidenciou-se a imagem mostrada na figura adiante. Dentre os fenômenos decorrentes da interação entre a radiação e os átomos do indivíduo que permitem a ob- tenção desta imagem inclui-se a: a) absorção da radiação eletromagnética e a con- sequente ionização dos átomos de cálcio, que se transformam em átomos de fósforo. b) maior absorção da radiação eletromagnética pelos átomos de cálcio que por outros tipos de átomos. c) maior absorção da radiação eletromagnética pelos átomos de carbono que por átomos de cálcio. d) maior refração ao atravessar os átomos de carbono que os átomos de cálcio. e) maior ionização de moléculas de água que de átomos de carbono. 12. (Enem) Em viagens de avião, é solicitado aos passageiros o desligamento de todos os aparelhos cujo funcionamento envolva a emissão ou a recepção de ondas eletromagné- ticas. O procedimento é utilizado para eliminar fontes de radiação que possam interferir nas comunicações via rádio dos pilotos com a torre de controle. A propriedade das ondas emitidas que justifica o procedi- mento adotado é o fato de: a) terem fases opostas. b) serem ambas audíveis. c) terem intensidades inversas. d) serem de mesma amplitude. e) terem frequências próximas. 13. (UEM-PR) Com relação às ondas sonoras e às ondas ele- tromagnéticas, assinale o que for correto. (01) Ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo, en- quanto ondas sonoras não. (02) A energia de uma onda eletromagnética é direta- mente proporcional à frequência e inversamente proporcional ao comprimento de onda da onda. (04) A radiação ultravioleta é mais energética que a ra- diação visível, enquanto que a radiação infraverme- lha é menos energética que essas duas radiações. (08) O fenômeno de espalhamento de uma onda ele- tromagnética em direções distintas da sua direção original de propagação, ao encontrar um obstáculo, é chamado índice de refração. (16) A velocidade de propagação do som no ar, ao nível do mar e à temperatura de 20 °C, é aproximada- mente 340 m/s. O aumento da temperatura faz com que essa velocidade diminua, pois há um aumento na agitação das moléculas do ar, que dificulta a pro- pagação do som nesse meio. Dê a soma dos números dos itens corretos. 14. (ITA-SP) A faixa de emissão de rádio em frequência modula- da, no Brasil, vai de, aproximadamente, 88 MHz a 108 MHz. A razão entre o maior e o menor comprimento de onda desta faixa é: a) 1,2 b) 15 c) 0,63 d) 0,81 e) 1,0 15. (Enem) Os radares comuns transmitem micro-ondas que re- �etem na água, gelo e outras partículas na atmosfera. Podem, assim, indicar apenas o tamanho e a distância das partículas, tais como gotas de chuva. O radar Doppler, além disso, é capaz de registrar a velocidade e a direção na qual as partículas se movimentam, fornecendo um quadro do �uxo de ventos em diferentes elevações. Nos Estados Unidos, a Nexrad, uma rede de 158 radares Doppler, mon- tada na década de 1990 pela Diretoria Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA), permite que o Serviço Meteorológi- co Nacional (NWS) emita alertas sobre situações do tempo potencialmente perigosas com um grau de certeza muito maior. O pulso da onda do radar, ao atingir uma gota de chuva, devolve uma pequena parte de sua energia numa onda de retorno, que chega ao disco do radar antes que ele emita a onda seguinte. Os radares da Nexrad transmi- tem entre 860 e 1 300 pulsos por segundo, na frequência de 3 000 MHz. FISCHETTI, M. Radar metereológico: sinta o vento. Scienti�c American Brasil, São Paulo, n. 8, jan. 2003. p is a p h o to g ra p h y /S h u tt e rs to ck Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 90 8/7/18 9:06 AM 91 FÍ S IC A No radar Doppler, a diferença entre as frequências emitidas e recebidas é dada por ∆f = u c r2 ⋅ , em que u r é a velo- cidade relativa entre a fonte e o receptor, c = 3,0 ⋅ 108 m/s é a velocidade da onda eletromagnética e f 0 é a frequência emitida pela fonte. Qual é a velocidade, em km/h, de uma chuva, para a qual se registra no radar Doppler uma dife- rença de frequência de 300 Hz? a) 1,5 km/h b) 5,4 km/h c) 15 km/h d) 54 km/h e) 108 km/h 16. (Fuvest-SP) Na estratosfera, há um ciclo constante de criação e destruição do ozônio. A equação que repre- senta a destruição do ozônio pela ação da luz ultravio- leta solar (UV) é: O 3 → O 2 + O O gráfi co representa a energia potencial de ligação entre um dos átomos de oxigênio que constitui a molécula de O 3 e os outros dois, como função da distância de sepa- ração r. A frequência dos fótons da luz ultravioleta que corres- ponde à energia de quebra de uma ligação da molécula de ozônio para formar uma molécula de O 2 e um átomo de oxigênio é, aproximadamente: Note e adote: E = hf E é a energia do fóton. f é a frequência da luz. Constante de Planck, h = 6 ⋅ 10–34 J ⋅ s a) 1 ⋅ 1015 Hz b) 2 ⋅ 1015 Hz c) 3 ⋅ 1015 Hz d) 4 ⋅ 1015 Hz e) 5 ⋅ 1015 Hz 17. (Oba) O período compreendido entre a última década do século XX e este início do século XXI marca aquilo que cha- mamos de a era dos grandes telescópios. Nele surgiram, entre outros, os telescópios americanos Keck e o japonês Subaru (ambos com cerca de 10 metros de diâmetro), o europeu VLT – very large telescope (com cerca de 16 me- tros de diâmetro), o telescópio Gemini, que pertence a um consórcio internacional formado por Brasil-EUA-Inglaterra- -Canadá-Austrália-Argentina-Chile (com um diâmetro de cerca de 8,2 metros), e o Southern Observatory for As- trophysical Research (SOAR) (com cerca de 4 metros de diâmetro), pertencente a um consórcio Brasil-EUA. Desses instrumentos, junto a resultados obtidos com os telescópios espaciais Hubble e Chandra, espera-se uma verdadeira revo- lução no conhecimento do ser humano sobre o cosmos e a natureza, incluindo sobre suas origens. Mas isso não é tudo! Já estão em desenvolvimento estudos para a construção de telescópios com diâmetros entre 30 e 100 metros. Esta será a era dos extremamente grandes telescópios! Considere que são colocados à sua disposição os seguin- tes instrumentos astronômicos: o telescópio Gemini, cujo espelho primário, de vidro, tem 8,2 metros de diâmetro, o radiotelescópio de Itapetinga, cuja antena, metálica, tem um diâmetro de 14 metros, o telescópio espacial Hubble e o telescópio espacial Chandra, este último projetado para trabalhar na região das altas energias, ou seja, de altíssimas frequências. No quadro a seguir, estão indicados na coluna 1 vários tipos de radiação provenientes das mais variadas fontes astronômicas. Indique na coluna 2 o telescópio ou telescópios que, em princípio, pode ou podem ser usa- do(s) para estudar os correspondentes tipos de radiação no 1 = Gemini; no 2 = Hubble; no 3 = Chandra; no 4 = rádio telescópio de Itapetinga. Tipo de radiação Nº do telescópio Luz visível Ultravioleta Raios X Rádio Infravermelho 18. (Unifesp) Quando adaptado à claridade, o olho huma- no é mais sensível a certas cores de luz do que a outras. Na fi gura, é apresentado um gráfi co da sensibilidade re- lativa do olho em função dos comprimentos de onda do espectro visível, dados em nm (1,0 nm = 10–9m). 100 S e n si b ili d a d e r e la ti va 80 390 440 490 540 λ (nm) 590 640 690 60 40 20 0 Considerando as cores correspondentes aos intervalos de frequências da tabela seguinte assim como o valor de 3,0 ⋅ 108 m/s para a velocidade da luz e as informações apresentadas no gráfi co, pode-se afi rmar que a cor à qual o olho humano é mais sensível é o: R e p ro d u ç ã o / U F S M -R S , 2 0 11 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 91 8/7/18 9:06 AM 92 CAPÍTULO 4 Cor Frequ•ncia (hertz) Violeta 6,9 ⋅ 1014 a 7,5 ⋅ 1014 Azul 5,7 ⋅ 1014 a 6,9 ⋅ 1014 Verde 5,3 ⋅ 1014 a 5,7 ⋅ 1014 Amarelo 5,1 ⋅ 1014 a 5,3 ⋅ 1014 Laranja 4,8 ⋅ 1014 a 5,1 ⋅ 1014 Vermelho 4,3 ⋅ 1014 a 4,8 ⋅ 1014 a) violeta. b) vermelho. c) azul. d) verde. e) amarelo. 19. (Enem) Para que uma substância seja colorida, ela deve absorver luz na região do visível. Quando uma amostra ab- sorve luz visível, a cor que percebemos é a soma das cores restantes que são refletidas ou transmitidas pelo objeto. A figura 1 mostra o espectro de absorção para uma substância e é possível observar que há um comprimento de onda em que a intensidade de absorção é máxima. Um observador pode prever a cor dessa substância pelo uso da roda de cores (figura 2): o comprimento de onda correspondente à cor do objeto é encontrado no lado oposto ao comprimento de onda da absorção máxima. In te n si d a d e d e lu z a b so rv id a Figura 1 400 500 600 700 Comprimento de onda (nm) 580 nm650 nm 560 nm 490 nm430 nm 400 nm 750 nm Figura 2 Ela apresentará essa cor Se a substância absorve nesta região AmareloVermelho Violeta Laranja Azul Verde Qual a cor da substância que deu origem ao espectro da figura 1? a) Azul. b) Verde. c) Violeta. d) Laranja. e) Vermelho. 20. (Ifsul-RS) Considerando o estudo sobre Ondas e os fenô- menos ondulatórios, analise as afirmações abaixo. I. No fenômeno da reflexão das ondas, o ângulo forma- do entre o raio de onda incidente e a reta normal à superfície, é sempre igual ao ângulo formado entre o raio de onda refletido e a reta normal à superfície. II. No fenômeno da refração, a onda passa de um meio para outro, mas a sua velocidade não se altera, o que faz com que o seu comprimento de onda permaneça o mesmo. III. No fenômeno da difração, as ondas têm a capacidade de contornar obstáculos ou fendas. IV. No fenômeno da polarização das ondas, a direção de vibração é perpendicular à direção de propagação e ocorre com ondas longitudinais. Estão corretas apenas as afirmativas: a) I e II b) II, III e IV c) I e III d) I, II e IV 21. (U. F. Pelotas-RS, adaptada) Na praia, a luz do Sol fica, em geral, parcialmente polarizada em virtude das refle- xões na areia e na água. Certo dia, no fim da tarde, o componente horizontal do vetor campo elétrico é duas vezes maior que o componente vertical. Um banhista fica de pé e usa óculos com lentes polarizadoras que eliminam o componente horizontal. Sabendo-se que a intensidade de luz é proporcional ao quadrado do módulo do campo elétrico, determine a porcen- tagem da intensidade luminosa total que chega aos olhos do banhista. 22. (UFU-MG) Um feixe de elétrons incide sobre uma superfí- cie, demarcando os lugares onde a atinge. Todavia, há um anteparo com duas aberturas entre a fonte emissora de elétrons e a superfície, conforme representa o esquema a seguir. Atualmente, sabe-se que a radiação tem um comporta- mento dual, ou seja, ora se assemelha a partículas, ora a ondas. Considerando que o diâmetro das aberturas é muito menor do que o comprimento de onda radiação incidente, que tipo de resultado será demarcado na su- perfície, levando em conta o comportamento ondulatório do feixe de elétrons? R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 5 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 92 8/7/18 9:06 AM 93 FÍ S IC A a) b) c) d) 23. (Enem) O debate a respeito da natureza da luz perdurou por séculos, oscilando entre a teoria corpuscular e a teo- ria ondulatória. No início do século XIX, Thomas Young, com a fi nalidade de auxiliar na discussão, realizou o ex- perimento apresentado de forma simplifi cada na fi gura. Nele, um feixe de luz monocromático passa por dois ante- paros com fendas muito pequenas. No primeiro anteparo há uma fenda e no segundo, duas fendas. Após passar pelo segundo conjunto de fendas, a luz forma um padrão com franjas claras e escuras. SILVA, F. W. O. A evolução da teoria ondulatóriada luz e os livros didáticos. Revista Brasileira de Ensino de F’sica, n. 1, 2007 (adaptado). Com esse experimento, Young forneceu fortes argumen- tos para uma interpretação a respeito da natureza da luz, baseada em uma teoria a) corpuscular, justifi cada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e refração. b) corpuscular, justifi cada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e refl exão. c) ondulatória, justifi cada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e polarização. d) ondulatória, justifi cada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer interferência e refl exão. e) ondulatória, justifi cada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e interferência. 24. (UFRGS-RS) No texto abaixo, Richard Feynman, Prêmio Nobel de Física de 1965, ilustra os conhecimentos sobre a luz no início do século XX. “Naquela época, a luz era uma onda nas segundas, quartas e sextas-feiras, e um conjunto de partículas nas terças, quintas e sábados. Sobrava o domingo para re� etir sobre a questão!” QED – The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press, 1985. Assinale com V (verdadeiro) ou F (falso) as afi rmações abaixo. ( ) As “partículas” que Feynman menciona são os fótons. ( ) A grandeza característica da onda que permite calcu- lar a energia dessas “partículas” é sua frequência f, através da relação E = hf. ( ) Uma experiência que coloca em evidência o compor- tamento ondulatório da luz é o efeito fotoelétrico. ( ) O caráter corpuscular da luz é evidenciado por expe- riências de interferência e de difração. A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é: a) F – V – F – F b) F – F – V – V c) V – V – F – V d) V – F – V – F e) V – V – F – F 25. (Enem) Ao contrário dos rádios comuns (AM ou FM), em que uma única antena transmissora é capaz de al- cançar toda a cidade, os celulares necessitam de várias antenas para cobrir um vasto território. No caso dos rádios FM, a frequência de transmissão está na faixa dos MHz (ondas de rádio), enquanto, para os celula- res, a frequência está na casa dos GHz (micro-ondas). Quando comparado aos rádios comuns, o alcance de um celular é muito menor. Considerando-se as informações do texto, o fator que possibilita essa diferença entre propagação das ondas de rádio e as de micro-ondas é que as ondas de rádio são: a) facilmente absorvidas na camada da atmosfera supe- rior conhecida como ionosfera. b) capazes de contornar uma diversidade de obstáculos como árvores, edifícios e pequenas elevações. c) mais refratadas pela atmosfera terrestre, que apresen- ta maior índice de refração para as ondas de rádio. R e p ro d u ç ã o / U F U -M G , 2 0 1 5 . R e p ro d u ç ã o / E n e m , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 93 8/7/18 9:06 AM 94 CAPÍTULO 4 d) menos atenuadas por interferência, pois o número de aparelhos que utilizam ondas de rádio é menor. e) constituídas por pequenos comprimentos de onda que lhes conferem um alto poder de penetração em mate- riais de baixa densidade. 26. (Enem) Ao diminuir o tamanho de um orifício atravessado por um feixe de luz, passa menos luz por intervalo de tempo, e próximo da situação de completo fechamento do orifício, verifi ca-se que a luz apresenta um compor- tamento como ilustrado nas fi guras. Sabe-se que o som, dentro de suas particularidades,também pode se com- portar dessa forma. Lâmpada Buraco Raios de luz Em qual das situações a seguir está representado o fenô- meno descrito no texto? a) Ao se esconder atrás de um muro, um menino ouve a conversa de seus colegas. b) Ao gritar diante de um desfi ladeiro, uma pessoa ouve a repetição do seu próprio grito. c) Ao encostar o ouvido no chão, um homem percebe o som de uma locomotiva antes de ouvi-lo pelo ar. d) Ao ouvir uma ambulância se aproximando, uma pes- soa percebe o som mais agudo do que quando aquela se afasta. e) Ao emitir uma nota musical muito aguda, uma cantora de ópera faz com que uma taça de cristal se despedace. 27. (Udesc) Filmes fotográfi cos para radiografi as, do tipo preto e branco, possuem uma emulsão fotossensível. Confeccionou-se um fi lme neste modelo e constatou-se que, para dissociar moléculas contidas na emulsão fo- tossensível, é necessária uma exposição a fótons com energia mínima de 0,7 eV. Assinale a alternativa que apresenta o valor do maior comprimento de onda da luz capaz de impressionar este fi lme. a) 1,7 ⋅ 10–9 m b) 1,7 ⋅ 10–6 m c) 1,7 ⋅ 10–14 m d) 0,7 ⋅ 10–6 m e) 0,7 ⋅ 10–9 m 28. (Fuvest-SP) Lasers pulsados de altíssima potência estão sendo construídos na Europa. Esses lasers emitirão pul- sos de luz verde, e cada pulso terá 1015 W de potência e duração de cerca de 30 ⋅ 10–15 s. Com base nessas informações, determine a) o comprimento de onda λ da luz desse laser; b) a energia E contida em um pulso; c) o intervalo de tempo ∆t durante o qual uma lâmpada LED de 3 W deveria ser mantida acesa, de forma a consumir uma energia igual à contida em cada pulso; d) o número N de fótons em cada pulso. Note e adote: Frequência da luz verde: f = 0,6 ⋅ 1015 Hz Velocidade da luz = 3 ⋅ 108 m/s Energia do fóton = h ⋅ f h = 6 ⋅ 10–34 J/s 29. (UPE) As � bras ópticas são feitas de vidro óptico extrema- mente puro. Costumamos achar que uma janela de vidro é transparente. Entretanto, quanto mais espesso for o vidro, menos transparente ele será em razão das impu- rezas nele contidas. O vidro de uma � bra óptica possui, porém, menos impurezas que o vidro usado em janelas. Segue a descrição da qualidade do vidro produzido por uma companhia: se você estivesse sobre um oceano feito de quilômetros de núcleo sólido de � bra de vidro, pode- ria ver claramente o fundo. Fazer � bras ópticas requer as seguintes etapas: elaborar um cilindro de vidro pré- -formado; estirar as � bras a partir da pré-forma; e testar as � bras. Disponível em: <http://tecnologia.hsw.uol.com.br/ � bras-opticas5.htm>. Acesso em:14 jul 2016. Durante a fase de estiramento das fi bras, é necessário ha- ver um controle da espessura dos fi os de fi bra óptica fabri- cados. Para isso, suponha que uma montagem experimen- tal é confi gurada, utilizando-se um laser com comprimento de onda de 650 nm que incide sobre o fi o de fi bra óptica, com um revestimento opaco, conforme ilustra a fi gura 1. Após passar pelo fi o, o feixe de laser forma um padrão de difração em um anteparo instalado a 2,0 m de distância do fi o. A representação esquemática desse padrão está mos- trada na fi gura 2. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 94 8/7/18 9:06 AM 95 FÍ S IC A I. II. Onda emitida pelo radar 0 10 20 30 40 50 t (10–10 s) A m p lit u d e Com base nessas informações: a) calcule o comprimento de onda da onda emitida pelo radar; b) identifi que, escrevendo na fi gura II, a onda refl etida por um veículo que se afasta do radar e a onda refl eti- da por outro veículo que se aproxima do mesmo radar. Justifi que sua resposta. 32. (UEL-PR) Observe a fi gura e responda. O radar (radio detection and ranging) é empregado de várias formas. Ora está presente, por exemplo, em complexas redes de defesa aérea, destinado ao con- trole de disparo de armas, ora é usado como altímetro. Seu princípio de funcionamento baseia-se na emissão de ondas eletromagnéticas, na refl exão pelo objeto a ser de- tectado e na posterior recepção da onda emitida. Sobre o radar no solo, mostrado na fi gura, é correto afi rmar: Figura 1 Fibra óptica Feixe de laser Anteparo Laser Padrão de difração formado no anteparo ∆x Figura 2 Sabendo-se que a separação entre os máximos de inten- sidade luminosa, ∆x, é 1,0 cm, qual é o valor do diâmetro do fi o? a) 65 µm b) 130 µm c) 260 µm d) 390 µm e) 520 µm 30. (Uece) Incide-se um feixe de raio laser de frequência aproxi- madamente 1,5 ⋅ 1015 Hz sobre uma fenda. Considerando a velocidade da luz c = 3 ⋅ 108 m/s, a largura da fenda para que se possa observar o fenômeno de difração da luz, com esse laser, deve ser aproximadamente: a) 1 µm b) 1 mm c) 1 cm d) 1 m 31. (UFMG) Um radar manual, como o mostrado na fi gura I, emite um feixe de micro-ondas – ondas eletromagné- ticas – e detecta a onda que é refl etida por um veículo que está em movimento. Comparando-se a onda refl etida com a onda emitida, é possível determinar a velocidade com que o veículo está se movendo. Na fi gura II, estão representadas três ondas: a que é emitida pelo radar, a que é refl etida por um veículo que se aproxima dele e a que é refl etida por um veículo que se afasta do mes- mo radar, não necessariamente nessa ordem. Apenas a onda emitida pelo radar está identifi cada nessa fi gura. Sabe-se que fenômenos ondulatórios – tais como interfe- rência, difração, efeito Doppler, refl exão – ocorrem, qua- litativamente, da mesma forma, tanto em ondas sonoras como em ondas eletromagnéticas. T h ir d k e y /S h u tt e rs to ck V e ja n . 1 7 7 3 , 1 6 o u t. d e 2 0 0 2 . R e p ro d u ç ã o / U E P E , 2 0 1 7. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 95 8/7/18 9:06 AM 96 CAPÍTULO 4 a) A frequência da onda refletida pelos aviões que voam de Israel para o Iraque é maior que a frequência da onda emitida pelo radar, pois esses aviões, ao refleti- rem as ondas, são fontes que se afastam do radar. b) A frequência da onda refletida pelos aviões que voam de Israel para o Iraque é menor que a fre- quência da onda emitida pelo radar, pois esses aviões, ao refletirem as ondas, são fontes que se afastam do radar. c) O radar identifica os aviões que saem do Iraque para atacar Israel porque a frequência da onda refletida por eles é menor que a emitida pelo radar que os detectou. d) O radar não detecta o míssil Scud, pois este é lançado com velocidade maior que a faixa de frequência em que aquele opera. e) A frequência de operação do radar tem que estar ajus- tada à velocidade de lançamento do míssil; por isso o radar opera na faixa de Mach 8 – 10. Vá em frente Leia SOUSA CRUZ, F. F. Faraday & Maxwell: luz sobre os campos. São Paulo: Odyssseus. 2005. Usando o gênero ficcional, o autor cativa o leitor desde suas primeiras páginas, ao transportá-lo para uma cidadezinha do interior do Brasil, onde folclóricas personagens revelarão, sob o olhar atônito de seus habitantes, as ideias inovadoras de Michael Faraday e James Clerk Maxwell. Autoavalia•‹o: V‡ atŽ a p‡gina 103 e avalie seu desempenho neste cap’tulo. Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 96 8/7/18 9:06 AM LÍ N G U A P O RT U G U ES A 97 GabaritoooGabarito FÍ S IC A Capítulo 1 Complementares 9. 16 Ω ; 1,5 W 10. a) A b) ε = 15 V 11. e 12. a) 5 ⋅ 10–3 A b) 2,5 V 21. 20 Ω 22. –3,5 V 23. b 24. d Tarefa Proposta 1. a 2. e 3. a 4. a) i A b) + – V c) 12 Ω d) 1 A e) 8 V 5. a 6. d 7. c 8. e 9. d 10. b 11. d 12. a 13. 6 ⋅ 103 Ω 14. d 15. a) 12 V b) 0,10 Ω 16. 0,1 5 A e 6,0 V 17. a) i A = 0 b) U xy = 0 18. V – F – V 19. d 20. a) 4 mV b) 15 A 21. 6 A (eliminado); 3 A (acertos) 22. c 23. b 24. b 25. c 26. e 27. b 28. a) 5,0 V b) 12 W 29. a 30. 3 31. d 32. d Capítulo 2 Complementares 9. Som a = 23 (01 + 02 + 04 + 16) 10. Soma = 11 (01+ 02 + 08) 11. b 12. c 21. b 22. 0,015 T 23. 3 ⋅ 10–6 T 24. a) Direção leste-oeste e sentido oeste-leste. b) 250 mG Tarefa Proposta 1. e 2. e 3. b 4. Soma = 70 (02 + 04 + 64) 5. a 6. a 7. Soma = 24 (08 + 16) 8. d 9. b 10. c 11. a 12. c 13. d 14. F – V – F – F 15. a) i �o N S b) N S 16. c 17. e 18. d 19. d 20. a 21. a 22. a 23. c 24. 62,5 A 25. a 26. c 27. d 28. 100 29. b 30. b 31. 2 ⋅ 10–5 T 32. c Capítulo 3 Complementares 9. d 10. 3 N 11. c 12. a) F = Q ⋅ v ⋅ B Q v B F mag. b) v = E B Q B E F mag. F elŽt. v 21. c 22. 2 ⋅ 10–8 Wb; 0; –2 ⋅ 10–8 Wb; 0; 2 ⋅ 10–8 Wb. 23. Soma = 14 (02 + 04 + 08) 24. d Tarefa proposta 1. a 2. 1 2 3. e 4. a 5. b 6. Soma = 05 (01 + 04) 7. a) Região I Região II v 0 q E B b) 2 ⋅ 105 m/s c) 2 cm Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 97 8/7/18 9:06 AM 98 8. b 9. 2 ⋅ 10–3 T 10. a 11. b 12. e 13. b 14. d 15. a) 2 N b) 10 A c) 60 V 16. d 17. a 18. a) E + + + + + + + + + – – – – – – – – – q , 0 v F E b) 10 T + + + + + + + + + – – – – – – – – – q , 0 vB 19. Maior 20. c 21. a 22. e 23. c 24. d 25. d 26. B a R 3 4 2 π ⋅ ⋅ ⋅ , sentido horário 27. c 28. a 29. a 30. a) Direita. b) Aumento da corrente. 31. b 32. b Capítulo 4 Complementares 9. e 10. a) 10–11 s b) 2 ⋅ 10–3 m 11. d 12. c 21. d 22 . O ta manho da fenda interfere nos efeitos de difração, sendo na fi gura A praticamente inexistentes e na fi - gura B mais acentuados. 23. a 24. d Tarefa proposta 1. O f enômeno de difração. 2. e 3. Ger a um aumento do quantum de energia. 4. b 5. b 6. d 7. a 8. 2,8 51 ⋅ 10–19 J e 4 ,973 ⋅ 10–19 J 9. b 10. d 11. b 12. e 13. So ma = 7 (01 + 02 + 04) 14. a 15. d 16. a 17. Tipo de radiação No do telescópio Luz visível 1 e 2 Ultravioleta 1 e 2 Raios X 3 Rádio 4 Infravermelho 1 e 2 18. d 19. e 20. c 21. 20% 22. a 23. e 24. e 25. b 26. a 27. b 28. a) 5 ⋅ 10–7 m b) 30 J c) 10 s d) 8,3 ⋅ 1019 fótons. 29. b 30. a 31. a) 0,15 m b) Carro afastando-se Carro aproximando-se 0 10 20 30 40 50 t (10–10 s) A m p lit u d e Onda emitida pelo radar 32. b Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 98 8/7/18 9:06 AM REVISÃO1-2 Nome: Data: Turma:Escola: 99 Física – Circuitos elétricos / Eletromagnetismo Capítulo 1 – Medidas elétricas e circuitos elétricos Capítulo 2 – Campo magnético H5 Dimensionar circuitos ou dispositivos elŽtricos de uso cotidiano. 1. (Ufes) É possível determinar a f.e.m. (força eletromotriz) de uma bateria ideal por meio do conhecimento da f.e.m. de outra bateria ideal. Para se conseguir isso, montam-se dois circuitos bem simples, como os indicados na fi gura ao lado, e medem-se, com o amperímetro A, a intensidade e o sentido das correntes elétricas, nos dois casos. Verifi ca-se que as correntes medidas têm os sentidos indicados na fi gura. a) Determine a f.e.m. da bateria desconhecida, em função dos dados do problema (V 0 , i 1 e i 2 ). Utilizando a lei das malhas de Kirchhoff: circuito 1: V 0 + R ⋅ i 1 –V B = 0 (1) circuito 2: V 0 – R ⋅ i 2 +V B = 0 (2) Somando as equações (1) e (2), temos: 2V 0 = R ⋅ (i 2 – i 1 ) (3) Subtraindo (1) de (2): 2V B = R ⋅ (i 1 + i 2 ) (4) Resolvendo o sistema composto pelas equações 3 e 4, encontramos V B . Assim, V V 2 2 B 0 = ⋅ + ⋅ R i i R i i ( ) ( – ) 1 2 2 1 s V B = +i i i i– 1 2 2 1 V 0 b) Determine a resistência R, em função de V 0 , i 1 e i 2 . Encontrando R, temos: 2V 0 = R ⋅ (i 1 + i 2 ) s R = + V i i 2 ( ) 0 1 2 = +i i 2 ( )1 2 ⋅ +i i i i– 1 2 2 1 V 0 s s R = i i 2 –2 1 ⋅ V 0 c) Se a bateria usada como referência tem f.e.m. e se as intensidades de corrente elétrica medidas valem i 1 = 0,50 A e i 2 = 0,70 A, calcule V B e R. Encontrando os valores para V B e R, temos: V B = +i i i i– 1 2 2 1 V B = +(0,7 0,5) (0,7 – 0,5) ⋅ 9,0V s V B = 54,0 V R = i i 2 –2 1 R = 2 (0,7 – 0,5) ⋅ 9,0 V s R = 90,0 Ω R e p ro d u ç ã o / U fe s , 2 0 1 5 . Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 99 8/7/18 9:06 AM 100100 H5 Dimensionar circuitos ou dispositivos elŽtricos de uso cotidiano. 2. Ao entrarem na sala de aula, os alunos de um curso de Física se deparam com as seguintes informações escritas na lousa. Após o tradicional “Bom dia, pessoal!”, o professor pede aos alunos que se dividam em dois grupos e fornece, a cada um, um pedaço de fi o de cobre fl exível e uma bateria de 9 V, considerada ideal. Os fi os têm mesma espessura, mas compri- mentos diferentes, conforme a tabela. Grupo Comprimento do fi o 1 L 2 2L Posteriormente, solicita aos alunos que, com os fi os, façam duas espiras circulares, ligando as extremidades na bateria, como mostra a fi gura, e que cada grupo determine a intensidade do campo magnético no centro da espira. 9 V Bateria Fio de cobre Sendo B 1 e B 2 os valores dos campos magnéticos obtidos pelos grupos 1 e 2, respectivamente, qual o valor da razão B B 1 2 ? B B 1B11B 2 = µ ⋅ ⋅ µ ⋅ ⋅ i r i r 2 2 1 1r11r 2 2r22r = i r⋅i ri r⋅ i r⋅i ri r⋅ 1 2i r1 21 2i r⋅i ri r⋅1 21 2⋅i r1 2i r⋅ 2 1i r2 12 1i r⋅i ri r⋅2 12 1⋅i ri r2 1i r⋅2 1i r⋅ (I) A corrente elétrica i pode ser dada pela lei de Ohm: i = U R = ρ ⋅ U A L s i = ρ ⋅ U A⋅U AU A⋅ L (II) Já o raio r é dado por: r = 2 L (III) Substituindo (II) e (III) em (I), temos: B B 1B11B 2 = ⋅ ⋅ ρ ⋅ ⋅ π ρ ⋅ ⋅ π U A⋅ ⋅U AU A⋅ ⋅ U A⋅U AU A⋅ 2 2⋅ π22⋅ π 2 2⋅ π2 22 2⋅ π L L L⋅ πLL⋅ π2 2LL2 2⋅ π2 22 2⋅ πLL⋅ π2 22 2L2 2⋅ πL2 2⋅ π L = 1 1 1 4 s B B 1B11B 2 = 4 Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 100 8/7/18 9:06 AM REVISÃO Nome: Data: Turma:Escola: 101 3-4 Física – Circuitos elétricos / Eletromagnetismo Capítulo 3 – Força e indução magnética Capítulo 4 – Ondas eletromagnéticas H1 Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em dife- rentes contextos. 1. (EFOMM-RJ) Um fi o de resistência 5 Ω e 2,4 m de comprimento forma um quadrado de 60 cm de lado. Esse quadrado é inserido por completo, com velocidade constante, durante 0,90 segundos em um campo magnético constante de 10,0 T (de forma que a área do quadrado seja perpendicular às linhas do campo magnético). A intensidade de corrente que se forma no fi o é i 1 . Outro fi o reto de 2,0 m de comprimento possui uma intensidade de corrente i 2 , quando imerso em um campo magnético constante de módulo 10,0 T. A força magnética que atua no fi o possui módulo 8,0 N. A direção da força é perpendicular à do fi o e à direção do campo magnético. A razão entre os módulos de i 1 e i 2 é: a) 0,2 b) 0,4 c) 0,5 d) 2,0 e) 4,0 Para o � o 1, de acordo com a 1a lei de Ohm, temos: U = R ⋅ i 1 De acordo com a lei de Faraday, temos: U = φ∆ ∆t = ⋅ ⋅ θ ∆ B A t cos Igualando as duas equações, temos: R ⋅ i 1 = ⋅ ⋅ ° ∆ B t cos 02 L s i 1 = ⋅ ⋅ ∆ B R t 2 L = ⋅ ⋅ 10 (0,6) 5 (0,9) 2 = 3,6 4,5 s i 1 = 0,8 A Para o � o 2, utilizando a equação para a força magnética, temos: F = B ⋅ i 2 ⋅ L ⋅ sen θ s i 2 = ⋅ ⋅ θ F B senL = ⋅ ⋅ ° 8 10 2 sen 90 s i 2 = 0,8 A Dessa forma, a razão entre as correntes será: i i 1 2 = 0,8 0, 4 s i i 1 2 = 2 Alternativa d Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 101 8/7/18 9:06 AM 102102 H1 Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em dife- rentes contextos. 2. O forno micro-ondas ou forno de micro-ondas é um aparelho eletrodoméstico que permite preparação rápida de alimentos para o consumo humano ou de animais, além do aquecimento de toalhas. Não se devem colocar utensílios de cozinha de metal, nem organismos vivos. Disponívelem: <http://pt.wikipedia.org/>. Acesso em: 5 jul. 2015. Ventilador Magnétron Feixe de micro-ondas Uma das grandes invenções do século XX e que invadiu defi nitivamente nossas casas foi o forno de micro-ondas. Sabemos que os alimentos são, em grande parte, constituídos por água. Quando colocamos um alimento no interior do forno de micro-ondas, ele recebe radiação eletromagnética com frequência de 2,45 GHz. A energia dessas ondas é absorvida pelas moléculas de água, ocasionando o aquecimento do alimento. Qual é o comprimento de onda da radiação emitida pelo forno de micro-ondas? As micro-ondas são ondas eletromagnéticas e, portanto, se propagam com a velocidade da luz (c = 3 ⋅ 108 m/s). Usando a equação da ondulatória, temos: v = λ ⋅ f s λ = v f s λ = ⋅ 3 1⋅3 13 1⋅ 0 2, 45 10 8 9 s λ H 0,12 m Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 102 8/7/18 9:06 AM 103 FÍ S IC A Atribua uma pontuação ao seu desempenho em cada um dos objetivos apresentados, segundo a escala: 4 para excelente, 3 para bom, 2 para razoável e 1 para ruim. Escala de desempenho Agora, somando todos os pontos atribuídos, verifi que seu desempenho geral no caderno e a recomendação feita a você. Entre 48 e 36 pontos, seu desempenho é satisfatório. Se julgar necessário, reveja alguns conteúdos para reforçar o aprendizado. Entre 35 e 25 pontos, seu desempenho é aceitável, porém você precisa rever conteúdos cujos objetivos tenham sido pontuados com 2 ou 1. Entre 24 e 12 pontos, seu desempenho é insatisfatório. É recomendável solicitar a ajuda do professor ou dos colegas para rever conteúdos essenciais. Procure refl etir sobre o próprio desempenho. Somente assim você conseguirá identifi car seus erros e corrigi-los. Avalie seu desempenho no estudo dos capítulos deste caderno por meio da escala sugerida a seguir. Autoavaliação Medidas elétricas e circuitos elétricos 4 3 2 1 Consegue redesenhar circuitos mais complexos? 4 3 2 1 Consegue calcular a resistência equivalente do todo ou de partes de um circuito? 4 3 2 1 Compreende como devem ser associados o voltímetro e o amperímetro para se obter medidas corretas? Campo magnético 4 3 2 1 Consegue analisar o sentido do campo magnético utilizando uma bússola? 4 3 2 1 Compreende como correntes elétricas em fi os condutores geram campo magnético ao seu redor? 4 3 2 1 Consegue utilizar corretamente a regra da mão direita na determinação do sentido do campo magnético e da corrente elétrica? Força e indução magnética 4 3 2 1 Compreende como partículas carregadas interagem com campos magnéticos? 4 3 2 1 Consegue identifi car as forças de atração e repulsão em condutores percorridos por cor- rentes elétricas? 4 3 2 1 Compreende as leis de Faraday e de Lenz, que se referem à variação de fl uxo magnético, gerando força eletromotriz induzida? Ondas eletromagnéticas 4 3 2 1 Consegue identifi car a faixa de frequência da luz visível no espectro eletromagnético? 4 3 2 1 Compreende a formação de franjas no experimento de Young como consequência dos fenômenos de difração e interferência? 4 3 2 1 Compreende o caráter dual da luz? Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 103 8/7/18 9:06 AM 104 Revise seu trabalho com este caderno. Com base na autoavaliação, anote abaixo suas conclusões: aquilo que aprendeu e pontos em que precisa melhorar. Conclus‹o Direção geral: Guilherme Luz Direção editorial: Luiz Tonolli e Renata Mascarenhas Gestão de projetos editoriais: João Carlos Puglisi (ger.), Renato Tresolavy, Thaís Ginícolo Cabral, João Pinhata Edição e diagramação: Texto e Forma Gerência de produção editorial: Ricardo de Gan Braga Planejamento e controle de produção: Paula Godo, Adjane Oliveira e Mayara Crivari Revisão: Hélia de Jesus Gonsaga (ger.), Kátia Scaff Marques (coord.), Rosângela Muricy (coord.), Ana Paula C. Malfa, Brenda T. de Medeiros Morais, Carlos Eduardo Sigrist, Célia Carvalho, Celina I. Fugyama, Gabriela M. de Andrade e Texto e Forma Arte: Daniela Amaral (ger.), Catherine Saori Ishihara (coord.), Daniel de Paula Elias (edição de arte) Iconogra� a: Sílvio Kligin (ger.), Denise Durand Kremer (coord.), Monica de Souza/Tempo Composto (pesquisa iconográ� ca) Licenciamento de conteúdos de terceiros: Thiago Fontana (coord.), Tempo Composto – Monica de Souza, Catherine Bonesso, Maria Favoretto e Tamara Queiróz (licenciamento de textos), Erika Ramires, Luciana Pedrosa Bierbauer e Claudia Rodrigues (analistas adm.) Tratamento de imagem: Cesar Wolf e Fernanda Crevin Cartogra� a: Eric Fuzii (coord.), Mouses Sagiorato (edit. arte), Ericson Guilherme Luciano Design: Gláucia Correa Koller (ger.), Aurélio Camilo (proj. grá� co) Todos os direitos reservados por SOMOS Sistemas de Ensino S.A. Rua Gibraltar, 368 – Santo Amaro São Paulo – SP – CEP 04755-070 Tel.: 3273-6000 © SOMOS Sistemas de Ensino S.A. Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Ético Sistema de Ensino : ensino médio : livre : física : cadernos 9 a 12: professor / obra coletiva : responsável Renato Luiz Tresolavy. -- 1. ed. -- São Paulo : Saraiva, 2019. Bibliografi a. 1. Física (Ensino médio) I. Tresolavy, Renato Luiz. 18-14094 CDD-530.7 Índices para catálogo sistemático: 1. Física : Ensino médio 530.7 2019 ISBN 978 85 5716 339 3 (PR) Código da obra 2150688 1a edição 1a impressão Impressão e acabamento Uma publicação 629071 Et_EM_3_Cad11_Fis_c04_74a104.indd 104 8/7/18 9:07 AM