OS FUNDAMENTOS DA FÍSICA (vol. III) (9ª ed.) – Ramalho

PARTE I. CARGAS ELÉTRICAS EM REPOUSO

CAPÍTULO 1. Eletrização & Força elétrica

Eletrostática como um domínio completamente separado do estudo da força gravitacional.

O nome elétron deriva de elektron, grego para âmbar, substância com que os antigos identificaram pela primeira vez a repulsão e atração de caráter elétrico. Adivinha a quem se atribui a descoberta em primeiro lugar? Ao desatento Tales, O Lunático. Foi preciso esperar até o séc. XVI para que, na Inglaterra, dessem continuidade ao estudo da Eletricidade. Uma “descoberta” nada bárbara (cof, cof)…

A palavra tribo advém do grego tribein e significa <atritar>, <esfregar>. Por isso a eletrização por atrito é também denominada triboeletrização.”

Os materiais como o vidro, que conservam as cargas nas regiões onde elas surgem, são chamados isolantes ou dielétricos. Os materiais nos quais as cargas se espalham imediatamente são chamados condutores. É o caso dos metais.”

Van der Graaf (1901-1967). “Geradores de VdG de grande porte, que armazenam grandes quantidades de carga elétrica, gerando descargas elétricas de enormes proporções, costumam ser utilizados em aceleradores de partículas.”

Corrimões de escadas rolantes e batentes de portas: “Em regiões de clima seco, é relativamente comum um passageiro sentir um pequeno choque ao descer de um veículo e tocá-lo. Isso ocorre porque, sendo o ar seco bom isolante elétrico, a eletricidade estática adquirida por atrito não se escoa para o ambiente, e o passageiro, ao descer, faz a ligação do veículo com o solo. Às vezes é a roupa do passageiro (ou do motorista) que se eletriza por atrito com o banco do carro. Ao descer, o toque na parte metálica produz a descarga e a sensação de choque.”

[!] “Foi o cientista, político e escritor americano Benjamin Franklin (1706-1790) quem introduziu os termos eletricidade positiva e eletricidade negativa para designar a eletricidade vítrea e resinosa, respectivamente.” Este homem tão precipitado enquanto politicólogo inventou o pára-raio! Isso o livro-texto da minha época não mostrava…

ATENÇÃO: A experiência realizada por Franklin é muito perigosa. Por isso, jamais tente repeti-la.” HAHAHAHA

Não esperava encontrar isto aqui (p. 35): “Dos inúmeros sermões proferidos pelo Padre Antônio Vieira (1608-1697), os mais famosos são Sermão da Quinta Dominga da Quaresma e Sermão da Sexagésima.”

CAPÍTULO 2. Campo elétrico

(…)

CAPÍTULO 3. Trabalho e potencial elétrico

(…)

CAPÍTULO 4. Condutores em equilíbrio eletrostático. Capacitância eletrostática

Ocorrem por dia, em nosso planeta, cerca de 40 mil tempestades, que originam, aproximadamente, 100 raios por segundo.”

Os dois tipos de pára-raios:

a) Modelo de Franklin

Também chamado simplesmente de pára-raios de F., consta basicamente de uma haste condutora disposta verticalmente na parte mais alta da estrutura a ser protegida. A extremidade superior da haste apresenta de 3 a 4 pontas de um material de elevado ponto de fusão (que não se derreta com a dissipação da energia da descarga). A outra extremidade da haste é ligada, por meio de condutores metálicos, a barras metálicas profundamente cravadas no solo.

Estudos experimentais permitiram concluir que <o campo de proteção oferecido por uma haste vertical é aquele abrangido por um cone, tendo por vértice o ponto mais alto do pára-raios e cuja geratriz forma um ângulo de 60° com a vertical.

b) Modelo de Faraday

Este método consiste em uma malha de captação, formando módulos retangulares, feitos de cabos de cobre nu passando por suportes isoladores, colocados de modo a envolver o topo da estrutura, como uma gaiola. Ao longo da malha, distribuem-se regularmente hastes terminadas em ponta. O aterramento se dá do mesmo modo que o método de F., mas com maior número de terminais. Esse sistema, apesar de mais dispendioso, proporciona maior proteção, sendo utilizado em edificações de grande porte, como ginásios, galpões industriais, etc.

Obs.

O pára-raios radioativo, baseado na ionização do ar por meio da presença de material radioativo no material constituinte da ponta, está proibido no Brasil desde 1989. Quem eventualmente ainda utilize esse tipo de p-r está obrigado a desmontá-lo e encaminhar os componentes à Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN).”

PARTE II. CARGAS ELÉTRICAS EM MOVIMENTO

CAPÍTULO 5. Corrente elétrica

O pior caso de choque é aquele que se origina quando uma corrente elétrica entra pela mão de uma pessoa e sai pela outra. Nesse caso, atravessando o tórax de ponta a ponta, há grande chance de a corrente afetar o coração e a respiração.

O valor mínimo de intensidade de corrente que se pode perceber é 1mA (micro-ampère). Esse valor provoca sensação de cócegas ou formigamento leve. Entretanto, com uma corrente de intensidade 10x maior a pessoa já perde o controle dos músculos, sendo difícil abrir a mão e livrar-se do contato.

O valor mortal está compreendido entre 10mA e 3A, aproximadamente. Nessa faixa de valores, a corrente, atravessando o tórax, atinge o coração com intensidade suficiente para modificar seu ritmo. Modificado o ritmo, o coração pára de bombear sangue para o corpo e a morte pode ocorrer em segundos. Se a intensidade for ainda mais alta, a corrente pode paralisar completamente o coração. Este se contrai ao máximo e mantém-se assim enquanto passa a corrente. Interrompida a corrente, geralmente o coração relaxa e pode começar a bater novamente, como se nada tivesse acontecido. Todavia, paralisado o coração, paralisa-se também a circulação sangüínea, e uma interrupção de poucos minutos dessa circulação pode provocar danos cerebrais irreversíveis.”

CAPÍTULO 6. Resistores

Existem elementos de circuitos cuja função, entre outras, é a de transformar energia elétrica em energia térmica (dissipar energia elétrica) ou limitar a intensidade da corrente elétrica em circuitos eletrônicos. Tais elementos recebem o nome de resistores.

São exemplos de resistores que se destinam a dissipar energia elétrica: os filamentos de tungstênio das lâmpadas elétricas incandescentes; fios de certas ligas metálicas (como nicromo: liga de níquel e de cromo), enrolados em hélice cilíndrica, utilizados em chuveiro, torneiras elétricas, secadores de cabelos, etc.

Os resistores utilizados para limitar a intensidade de corrente que passa por determinados componentes eletrônicos não têm a finalidade de dissipar energia elétrica, embora isso aconteça inevitavelmente. Comumente, são constituídos de um filme de grafite depositado de modo contínuo sobre um suporte cerâmico ou enrolado em forma de faixas helicoidais.”

Muitos resistores que se destinam a dissipar energia são, algumas vezes, chamados impropriamente de <resistências>. Você certamente já ouviu frases do tipo <é preciso trocar a resistência do chuveiro> ou <a resistência do secador de cabelos queimou>. Na verdade, a resistência elétrica é uma propriedade física do resistor.”

O estudo moderno da eletricidade teve início a partir da observação de um biólogo. Luigi Galvani (1737-1797) verificou que as pernas da rã, que suspendera para secar por meio de presilhas de cobre num suporte de ferro [quem seca uma rã???], contraíam-se quando balançados pelo vento. Galvani atribuiu a ocorrência à existência de correntes elétricas produzidas pelas próprias pernas da rã.

(…) [Mas] o físico Alessandro Volta (1745-1827) não concordou com a hipótese de seu colega biólogo. Para ele, as contrações eram devidas a uma corrente elétrica, mas produzidas de outro modo. Ao serem balançadas pelo vento, as extremidades livres das pernas suspensas tocavam o suporte de ferro. Então estabelecia-se o contato da perna da rã com 2 metais, o cobre, de um lado, e o ferro, do outro. Isso e mais as substâncias ácidas do corpo da rã geravam a corrente responsável pelas contrações. A construção da primeira pilha elétrica por Volta comprovou a veracidade de sua hipótese.”

Com a descoberta do efeito magnético da corrente elétrica, a história da Eletrodinâmica se entrelaça com a do Magnetismo, surgindo então com destaque as pesquisas de cientistas como Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell e outros.”

! DICAS CULTURAIS !

As óperas de Verdi adaptando Shakespeare e Schiller. La Traviata, cantada no Poderoso Chefão 2.


Paulicéia Desvairada é considerado como o primeiro livro de poemas do modernismo brasileiro (Mário de Andrade).”

CAPÍTULO 7. Associação de resistores

(…)

CAPÍTULO 8. Medidas elétricas

(…)

CAPÍTULO 9. Geradores elétricos

(…)

CAPÍTULO 10. Receptores elétricos

(…)

CAPÍTULO 11. As leis de Kirchoff

(…)

CAPÍTULO 12. Capacitores

(…)

PARTE III. ELETROMAGNETISMO

CAPÍTULO 13. Campo magnético

campo magnetico

CAPÍTULO 14. Força magnética

(…)

CAPÍTULO 15. Indução eletromagnética

(…)

CAPÍTULO 16. Noções de corrente alternada

(…)

CAPÍTULO 17. Ondas eletromagnéticas

(…)

PARTE IV. INTRODUÇÃO À FÍSICA MODERNA

CAPÍTULO 18. Relatividade especial

No final do séc. XIX, acreditava-se que as ondas eletromagnéticas, a exemplo das ondas mecânicas, necessitavam de um meio material para se propagarem. Esse meio elástico, onipresente e invisível, preenchendo todo o Universo, foi denominado éter. As ondas eletromagnéticas e a luz, em particular, propagavam-se com velocidade c = 300 mil km/s em relação a esse meio.

Como o éter era um meio hipotético, cuja existência jamais fôra provada, em 1887 os cientistas Michelson e Morley realizaram, em Cleveland (EUA), uma experiência para verificar sua existência. Eles consideraram que, se o espaço sideral estivesse preenchdio por um <mar de éter> imóvel e a luz fosse realmente propagada através dele, a velocidade desta deveria ser afetada pela <correnteza de éter> resultante do movimento de translação da Terra. Em outras palavras, um raio de luz lançado no sentido do movimento da Terra deveria sofrer um retardamento, por causa da correnteza do éter, da mesma forma que um nadador é retardado pela correnteza da água ao nadar contra ela.”

Michelson e Morley esperavam encontrar valores diferentes para os intervalos de tempo delta-T e delta-T’, segundo cálculos teóricos previamente feitos. A diferença de tempo deveria ser detectada pela análise da interferência dos feixes de luz no anteparo de sua máquina interferômetro [basicamente um superespelho mergulhado horizontalmente em mercúrio]. Contudo, realizada a experiência, a conclusão foi perturbadora: não havia diferença entre os 2 intervalos de tempo. Repetiram a experiência várias vezes, em épocas e condições técnicas diferentes, chegando sempre à mesma medição. (…) Foi o fim do sistema de referência universal newtoniano.”

CAPÍTULO 19. Física quântica

Na história da Física, existem vários exemplos de conceitos que exigiram revisão ou mesmo substituição, quando novos dados experimentais se puseram a eles. Contudo, no caso da luz, foi a primeira vez em que duas teorias, completamente diferentes, são simultaneamente necessárias, completando-se mutuamente.”


“Logo após a hipótese de
De Broglie, foi desenvolvida por vários físicos notáveis, como Heisenberg, Schrödinger, Born, Pauli [citado em Jung] e Dirac, a Mecânica Quântica.”

CAPÍTULO 20. Física nuclear

A força nuclear forte é a mais intensa das 4 forças fundamentais. Sua intensidade é 1038 vezes maior que a força gravitacional, a mais fraca das quatro. Entretanto, sua ação só se manifesta em distâncias muito pequenas, comparáveis às dimensões do núcleo atômico (10-15m). A intensidade da força nuclear forte diminui rapidamente quando há a separação entre as partículas, praticamente se anulando quando a distância assume as dimensões de alguns diâmetros nucleares. Essa força também é denominada força hadrônica, porque só se manifesta entre os hádrons, grupo de partículas do qual fazem parte os nêutrons e os prótons, mas não os elétrons, que não são afetados pela força nuclear forte.”

A intensidade da força eletromagnética é em média 100x menor que a da força nuclear forte.”

NÃO BRINCAR COM FOGO OU ELETRICIDADE: “Entre os léptons (grupo de partículas das quais faz parte o elétron) e os hádrons, atuando em escala nuclear, desenvolve-se a denominada força nuclear fraca. Sua intensidade é 1025 vezes maior que a da força gravitacional, mas 1013 vezes menor que a da força nuclear forte. Ela é a responsável pela emissão de elétrons por parte dos núcleos de algumas substâncias radioativas, num processo denominado decaimento beta. Atualmente a maior parte dos cientistas admite que a força nuclear fraca e a força eletromagnética são manifestações diferentes de uma mesma interação fundamental, chamando-as de força eletrofraca. Esse é um primeiro passo para a unificação completa das 4 forças fundamentais, entendendo-as como manifestações de uma única superforça.”

a força gravitacional tem grande importância na Astronomia e na Cosmologia, explicando a movimentação dos astros no Universo, bem como a formação de estrelas, galáxias e sistemas planetários.”

Um contato entre uma partícula e sua antipartícula pode resultar num processo de aniquilação da matéria. É o que ocorre entre um elétron e um pósitron, sendo criados dois fótons de alta energia.”

Com a construção de grandes aceleradores de partículas, muitas antipartículas foram descobertas como, p.ex., o antipróton e o antinêutron. O antipróton foi descoberto em 1955 pelos físicos norte-americanos Owen Chamberlain (1920-2006) e Emílio Gino Segré (1905-1989), no Bévatron da Universidade da Califórnia, em Berkeley, EUA. Por esse feito, receberam o prêmio Nobel de Física de 59.”

Entre os bósons, os mais conhecidos são os fótons, que têm massa de repouso nula.”

As partículas elementares elétron, neutrino, múon, tau e suas antipartículas são exemplos de léptons. O nome lépton significa leve, e a razão disso é que sua massa costuma ser menor que a menor massa dos hádrons. Entretanto, sabe-se hoje que o tau, um tipo de lépton que só pode ser encontrado em partículas aceleradas e em raios cósmicos, tem massa que corresponde a quase o dobro da massa do próton.

Os hádrons, que estão sujeitos a todas as interações, podem ser de 2 tipos: os mésons e os bárions. Um tipo de méson, o píon, foi descoberto em 1947 pelo físico brasileiro César Lattes (1924-2005), no pico de Chacaltaya, nos Andes bolivianos, a 5.600m de altitude. Os mésons são partículas cuja massa pode variar desde um valor próximo a 1/7 da massa do próton até valores mais elevados que a massa de núcleos leves. Próton, nêutron, lambda, sigma, Xi, ômega e suas antipartículas são exemplos de bárions.”

Os hádrons, na verdade, não seriam partículas elementares, pelo fato de que são constituídos por partículas ainda menores, os denominados quarks.¹ O modelo dos quarks prevê a existência de 3 tipos, indicados pelas letras u (de up), d (de down) e s (de strange [haha]). Os quarks apresentariam carga elétrica fracionária em relação à carga elementar. Existiriam 3 antiquarks.

¹ O nome quark, dado por Gell-Mann às menores partículas constituintes da matéria, foi tirado do romance Finnegans Wake, de Joyce.

Esse modelo se expandiu com a inclusão de mais 3 tipos de quarks: o c (de charmed), o b (de bottom) e o t (de top) e seus correspondentes antiquarks.”

Os hádrons mais comuns (prótons e nêutrons), denominados núcleons, são constituídos apenas pelos quarks u e d. Um próton seria constituído por 2 quarks u e um quark d, pois a carga elétrica do quark u é +2/3 e a do quark d é -1/3 (carga = 1). Um nêutron seria formado por 2 quarks d e um quark u (carga 0).”

Cada m² da superfície do planeta é atingido, em cada segundo, por cerca de 200 partículas denominadas raio cósmico, com energias de alguns milhões de elétrons-volt. Entre as partículas que constituem a radiação cósmica predominam os elétrons e os núcleos atômicos, principalmente de hidrogênio (prótons). As partículas dos raios cósmicos deslocam-se pelo espaço com velocidades próximas à da luz. Algumas delas são muito mais energéticas do que qualquer outra partícula produzida nos maiores aceleradores de partículas existentes.”

No Brasil, as atividades envolvendo os raios cósmicos marcam o próprio início das pesquisas físicas em nosso país. Por ocasião da implantação da Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas da USP, em 1934, foi marcante a atuação do físico ucraniano de nascimento, naturalizado italiano, Gleb Wataghin (1899-1986), que hoje empresta seu nome ao Instituto de Física da Unicamp.”

Em 1949, foi criado no RJ o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), coordenado por César Lattes e José Leite Lopes (1918-2006), outro importante pesquisador brasileiro, primeiro presidente da Sociedade Brasileira de Física.”

Na esteira dos aperfeiçoamentos dos acelerados de partículas, em 1929, o físico norte-americano Ernest Lawrence (1901-58), prêmio Nobel de física de 39, desenvolveu outro acelerador com concepção diferente, o cíclotron, no qual partículas carregadas eram aceleradas em percursos espiralados, ganhando energia a cada ciclo. Esse conceito ainda hoje é utilizado nos grandes aceleradores.”

quando núcleos pesados como os de urânio são bombardeados por partículas como nêutrons acelerados, originam-se núcleos menores e uma grande quantidade de energia. (…) Essa energia obtida confirmou plenamente a fórmula de Einstein E = mc²”

Em 02/12/1942, na Universidade de Chicago, um grupo de cientistas, dirigido por Enrico Fermi [ironicamente, um italiano ‘ajudou a matar’ o fascismo], criou com sucesso o primeiro reator a conseguir um estado de auto-sustentação ou <crítico>. O reator era abastecido com urânio natural embebido em blocos de grafite, tendo a fissão ocorrido no isótopo do urânio de massa 235 e 92 prótons.”

invenção da bomba a

Chama-se energia de ligação do núcleo a quantidade de energia mínima que o núcleo deve receber para ser possível separar núcleos atômicos. (…) quando núcleons se juntam e se fundem para formar um núcleo mais pesado, há liberação de energia, que corresponde à energia de ligação, i.e., à energia que o núcleo formado deveria receber para que fossem liberados os núcleos originais. No processo que ocorre no Sol, núcleos de hidrogênio unem-se para formar núcleos de hélio e, como subproduto dessa reação nuclear, é liberada uma enorme quantidade de energia.”

Por que não existem usinas de energia de fusão nuclear? “o gasto de energia para se obterem as condições necessárias à realização do processo é maior que a quantidade de energia obtida dele.” “A fusão nuclear causa bem menos problemas que a fissão na obtenção de energia elétrica. Por isso, há um grande empenho dos cientistas e dos governos em todo o mundo para buscar soluções que tornem viável a utilização do processo de fusão em substituição ao de fissão. Nesse sentido, foi criado um projeto internacional, que constitui uma das maiores cooperações científico-tecnológicas dos últimos tempos, o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). O reator, baseado na tecnologia Tokamak, está sendo construído na França e, uma vez concluído (o primeiro prazo para início das operações é 2016), deverá produzir cerca de 1 GW (1 bilhão de watts) de potência. Tal projeto consumirá mais de 10 bilhões de euros, metade dos quais investidos pela comunidade européia.” Atualizações: https://www.iter.org/sci/iterandbeyond – a máquina sucedânea do projeto ITER tem previsão para entrar em funcionamento nos anos 40: “DEMO is the machine that will address the technological questions of bringing fusion energy to the electricity grid. The principal goals for the DEMO phase of fusion research are the exploration of continuous or near-continuous (steady-state) operation, the investigation of efficient energy capture systems, the achievement of a power output in the Q-value range of 30 to 50 (as opposed to ITER’s 10), and the in-vessel production of tritium (called tritium breeding). DEMO would be a simpler machine than ITER, with fewer diagnostics and a design more targeted to the capture of energy than to the exploration of plasma regimes.” “Beyond DEMO, the final step to producing fusion energy would be the construction of a prototype reactor, fully optimized to produce electricity competitively. The timescale for such a prototype depends heavily on political will to reach this stage, but most forecasts place this phase of fusion energy development at the middle of the century.” Ironicamente, além da União Européia parece que só o Japão está envolvido, sem a presença dos EUA…

supernova

Uma das previsões da relatividade geral de Einstein é a existência de ondas gravitacionais, as quais, apesar das tentativas, ainda não foram observadas. Existe a expectativa de que na eventual colisão de dois buracos negros, envolvendo massas da ordem de milhares de massas equivalentes ao Sol, ondas gravitacionais possam ser detectadas, resolvendo um dos grandes enigmas da Física atual.”

PARTE V. ANÁLISE DIMENSIONAL

CAPÍTULO 21. Análise dimensional

(…)

[+]

Gilbert, De magnete, 1600.

Grattan

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