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VOLUME 2

PARTE IV

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21|
25
26
27
28
29
30

PARTE V

31
32
33

APÊNDICE...
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VOLUME 2

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22-4 Descontinuiciacie de É_ ...
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Comentários e Sugestões

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  2. 2. m: .xz'= :czc: c:: :2:: ~an. -.-. a:: canvas 121m3; “' lhwluvrxa Jc rvnlm . r çu-nlln Prefixos puro as Potências de 'IO' Alfabeto Grego " ~ 5?' . .iüiblàflfêlãToNNlüiêzbin Potência Prefixo Símbo| o Alfa A a Nu " u 103¡ íola Y Beta . B B Xi _ E g ¡ 0,. zum Z Glama _ _l" y Ómncron 0 n ~ 1053 exa _: _Deíta 'A ô H 7T ¡ÚF- Pete¡ p ¡EPSÍÍOH Í ' v E, e RÔ 1" p “t0” tenra E' , "Zeta é' Sigma E (r 10" giga G _Em 'II 17 Tau ' 'l' r 10° "'98" M v Teka n 0 9 Ípsiínn Y v T0” quilo k b-»Iotpa v 1 L Fi <1› «/ › 10: hecto h ' 'Capa V _K , K Qu¡ , ' X m “M7 d” Lambda A a Psi w q; 10 ' det¡ d _NI V «u Ô n '10 3 ccnti c g u l N 'nega w 10 3 mili m 10 ° micro p. '10 ” sumo n im"" pico p . _ f w Ú fmnt” ' Simbolos Matemáticos . '10 “5 ato a , ~ 10 3' xeptx. : z 7: é ¡gum a m " “N” Y é definido por 4;' -4›. ›¡u›. ~1'¡. ~.- mm. ..a. ..- lnulnlnutnzucntlz' . muç. ;.¡.1¡¡. ¡.-¡. ›5.-. u m3mu_ a* é diferente de z é aproxinnada nwute i gua] a ~ é da (ardem de I é proporcional a Dados Terresufres e Astronômicos” > é 17191.01' que *<-““-'*«^~'-= <V E é maior que ou igual a Aceicraçño da gravíci-ade na _ç 9,81 m/ s? E 32,2 fr/ s¡ » é , nuno mam¡ que ranpuríícín' da Twra , < e menor que Raio da 'Terra R¡ 6379 km : - 3960 m¡ l _ _ ' E e ¡ncnnr que ou igual a Mklsstt da Icrra MF 5,93 X ÍION kg . , ' « é muito menor que Massa do Sol 1,99 >< 1039 kg _ Niassa da Lua 7,36 ›< 1012 kg _ A* "m “ça” d” 'Y Vcitutidada* (it-E usvapc! na 11,2 km/ s '-= 6,95 mi/ s dx Varmçak) dlferencml de x . saLr¡JorFíciL da 'Ilan-ra valor absoluto de 1' Cundiçücs ncannai» de tcnnpumturn O°C = ~= 273,15 K ? Ê intensidade ou IUÕdLIÍO (iL-'ií c. ¡Jrpysñu (ÊN | P) 1 arm 101,3 kPa n¡ "O, 1X" Dm¡ Diblzinciz¡ média da 'farm ñ E. .ua1*°'* 3,84 X 105111 2,39 X 105 mi Somatórm Dislânxtía¡ mérlia da Terra 'aoSnI| “* 1,50 X 10" m = 9,30 >< 107 m¡ um hmm¡ Vvhu'idadc do sum no a r seca (nas CNT? ) 331 m/ S A¡ _› O A¡ tende a mm à. .. Velocidades dusum ¡warúmicixw 343 m/ s d_ d __ d d I rd 20,, (-¡ L, -¡ Mm) _à cuva . a e . x um _ d¡ relaçao n I _ Massa vspucsteca du ar (nas C NTP) 1,29 kg/ nr' d d . ., , . . , 'u- eriva a marcial de J' ' z JJ( u' '* *e r e" 2 . " 1 ç 3 1- l' ~hss1 «xpnuixn 1 oh Uu 1 (1 4 C. L. I 1km) 1.000 kg/ m M em fdaçâ, a( Calor do íusñu da água (a (VC o 1 alm) 1.¡ 333,5 kJ/ kg ? a (nim. c1x: '_¡1¡¡o. .¡z;1çaç› da i1guêz Lv 2,257 MJ/ kg f _fg-kg ¡ntegra¡ definida La 1001_ e l atm) _r_ . ... ... ... _._. _ _ ____, _. . ... _« "t 1mm» ¡¡. n|<-. ~--ul-n-o ; nau-nmwdarpndvn¡ ecruhudus nu , «põ¡u'¡icc1iompáginalulpz/ lnssdcgsik. nasmgov¡ = F0? 7° FIÇYZ) " HM) plggnulJrl fp' m-tr 110ml v_
  3. 3. ,. - Símbolos de Unidades _r ampieu? À angstmm U0' “l m) atm eltmoslisrà Bm Lmidacic lérmica Laritâníca Bq becquerul C' cuulmrxb '“('T grau Celsius ml Calüflít C¡ CUTÍG cm ccnlínxulrim clyn (lina QV clélmn-voli* "'13 ; mu Fahrenheit i'm lcmlôxncí-ro, Fcrnü 00"* m) l t pé Gm gígâmulru ('10" m) (É ga Liss C33' gray g gm n12¡ R1 MeV M m m¡ m i n mm 1138 henry nm nanôlnclruv (10 'l m) Imra pt ¡Jinia hertz ql' quarto polegada rev revolução, rnkaçãn (volta) joule R mentgcn kelvín SV suivert quílograima s suégilncln» quilômetro 'l' tesla quilnelétrrvn-volt u unidade u ixificada clc nmsszr libra V vnli litro W vatt me! ro Wb Weber megaclétrxxu-voit y ano nacgâ metro (1 01' m) yd jnrda milha , um n1Í(Íl'ÔI1'íEll'0 00"' m) minuto ; Ls microssegundo n1i1ímetro , LLC microcmiloinb nüiisscgund o . ll (311111 Iwwtmí Aiguns Fatores de Conversão CÍOiJrpa'iI›u'nlo 'l m 311,37 in v? 3,281 ft = == 1,09=1y'd 1 m 1 i1” fm 10"' 10" nm l km V* 11.6215 mí 1 mí 52811 ft 1,609 km 1 anwluz 'l r-y 9,461 X '10'7' m E in 2,5410 cm l-'ulrzntu 1 l. , lülcm” 103 m” = = '1,057 qt 'llwiprr 'l I1 31300 s '-~'- 3,6 ks 1 (mn 365,24¡ dias = '~'= 3,150 X 1075 l')('ll1(. 'l-lltl[ll' 'l km/ h ›~'-= 0,278 m/ s -r 0,6215 mí/ h 1 fi/ s í" 0,311418 m/ s = == 0,6813mi/ l1 xlngrvlzv r' vclucírlurh* angular 'l rcv = -'- 2-7r rad 360” 1 racl 57,30" 1 rev/ ruin s 'l rpm a 0,1047' raid/ s Força r ; Ircssão 1 N = = 107 dyn 0,221113 lb 1 lb = = 4,448 N l atm = 101,3 kl-*a = -= 1,013 luar = 76,00cn1l"lg '-'= = 'E470 lim/ in* Massa 1 u [(10"3n1i11"')/ N_. ]1<g 1,661 X 10 '37' kg TI t w105kg I Mg 1 Slug 14,59 kg 'l kg pesa cerca de 2,205 lb »Energia e ; valência 1 ] 107erg -- 0,7373 ft-lb 9,869 x 10 5 L-alm 1 kW-h = = 3,6 M) 'l cal 4,1841: 4,129 >< 10"31.-atn1 1 l. .-atn1 v-r 101,325] 24,22 cal 1 eV 1,602 >< 104% 3 Blu 778 ft-lb 252 cal = = 1054] 11-11* m' 550 (Hb/ s 7-16 W Condnfitridndr: iór/ ním 1 W/ (m-K) 6,938 l3tu›ín/ (h-f13-F°) Canzpo Jung ¡lá! Ico 1 'l' v: 10* (3 Viscilsírlade 1 PEI-s = 10 praise
  4. 4. No interesso. (Io ciífusão da cultura c do conhccinwnin, os autores c os editores envídararx¡ o ¡náxilnza esforço para lucaiilau” os (Iclcntnrcs dos (lircitos autorais dc qualquer malcrial tuiiizzado. dispondo-sc n possíveis acertos puslcriorcs caso. innclvcrliclztlncntc. z¡ identificação de algun) (icícs lcnhn sido (umilídzn. ? /› -d/ z '-4' Í o »J (IIP--BRJÀSIL (IATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICWFO NACIONAL DOS EDITORES DE LÍVROS, RJ. 'Tiplcxz Paul Aifrul. 1933- . Cn pur: : uicxxlisl-. xs c cngcnhciraws, v.2 : eletricidade e magnctislno ; Ólicü l Pau¡ A. Tiplcr. ("nene Mosca ; (rauiução Femancio Ribeiro da Silva, Nlztum Spcrzulxn Neto. - Rio de . lanciro : LTC, 2006 3V. : il. 'Tradução dc: Physirx foi' scicmisls ; and cilginccrs, 51h ed Apénciicxvx › ISBN S5-216-H63-2 (v2) à ¡ 1. Física. I. Niosca. (ícnc. ll, 'Pílula ' 054946, (ÍDD 530 CDU 53 (Tapa: !'-'4.›| ogr:1fiz1 -- cnrlcsia do; Pcmzuula Albuquerque Portella First publishcd in Uau United States by W. I l. í-'REIEJWAN AND C0., New York : md Basingstokc (Íopyrighl (O 200:! by WH. Frccumtu¡ and C0. All Rights Rcscrvzcd Publicado originalmcxzic nox Estados LJniclos pm' WJ l. l3I'(líE: '1/N AND CO. , New York and Basingstckc (Inpyrighl (0 200:¡ by WH. Frccnmn and Co. 'Fados os Dircilos Reservados lídilornção IÊlclríu1ic: I:Í'73-zry'2-›rr-:1.<› Dircilos exclusivos para il língua porlugtlcsíl CÍnp_yI'i_§; ¡1I É) ? ,006 by LTC -- Liwrms 'fécnícos c (Ticnííficos Blditora SA. Tnavcssu do OUVÍLÍOI'. 1 E Rio do Janeiro. RJ (ÍlEP 2Uí)-'l()«()40 'I'(t¡. : É E-3')7()«9i| ›HU FKIXI ZI-'ÀZZIJÊÍJÊ lu: G?”llcc(invom_conn, l*›l' Vv¡'. ÍECOLÍÍI(il'ãl. c(›nl. hi'
  5. 5. Ílí$iíííkÊiñsñiiâíklíl$éüâ7à§füíñâ ZSFJEÍÊH23%QVMFÊ#? ÉW739É'? t3iíã9s%§339WÂCGÊÉBWXQYJKÔÉÉÉ&GEIESZÂÍÍEÉRÃÊYJDÍKQWIVÉ-&Xt/ d" Sã( ma: :ss&wmmmmmmvazsxxmàxsszcmwêxmwàwmyzwwmvsmmmygvmmzmsamzüwszaimrzímmm%zzurx› P ÉSBAÀ¡ VOLUME l T sTsTEMAs DE MEDTDAs P A R T E E MECANICA 2 MOVEMENTO EM UMA DIMENSÃO 3 MOVIMENTO EM DUAs E TRÊS DTMENsOEs 4 TETs DE NEWTON 5 APUCAÇÕES DAs tETs DE NEWTON c TRABALHO E ENEROTA 7 CONSERVAÇÃO DA ENEROTA e SISTEMAS DE PARTÍCULAS E CONSERVAÇÃO DA QuANTiDADE DE MOViMENTO LTNEAR 9 ROTAÇÃO To CONSERVAÇÃO DA OUANTTDADE DE MOVIMENTO ANGULAR R RELATIVEDADE REsTRTTA T T GRAvTDADE T2 EOuTTíaRTo ESTÁTICO E EtAsTTcTDADE I3 ETUTDos PA R T E II OSCIIAÇOES E GNDAS T4 OSCILAÇÕES T5 MOvTMENTO ONDUTATORTO tó SUPERPOSIÇÃO DE ONDAS E ONDAS EsTAcTONARTAs P A R T E n¡ TERMODINAMICA T7 TEMPERATURA E TEORIA CINÉTtCA Dos GASES 18 CALOR E A PRIMEFRA LEI DA TERMODINÃMECA T9 A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 2o RROPRTEDADES TÉRMICAS E PROCESSOS TÉRMICOS A P E N D t C E S A SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (su E FATORES DE coNvERsAo a DADOS NUMERTcOs c TABELA PERlÓDJCA DOS ELEMENTOS REVISÃO DE MATEMÁTICA CRÉDITOS DAS ILUSTRAÇÕES RESPOSTAS Dos PROBLEMAS ÍMPARES ÍNDICE U
  6. 6. u. . , _ . . VH¡ ÍTIIIITTRIIO (zuztrti VOLUME 2 PARTE IV 2 i 22 '23 21| 25 26 27 28 29 30 PARTE V 31 32 33 APÊNDICES A O: : C VÓLUiViL-Í 3 PARTE VI 34 35 36 37 38 39 AO 4! APÊNDICES A Q EEETRHCTDÂDE E &ÊAGNETISMO O CAMPO ELETRTCO i: DISTRIBUIÇOES DESCRETAS DE CARGAS O CAMPO ELETRICO it: DTSTREBUIÇÕES CONTINUAS DE CARGAS O POTENCIAL ELETRICO ENERGIA ELETROSTATICA E CAPACITÂNCIA CORRENTE ELETRICA E CIRCUITOS E CORRENTE CONTÍNUA O CAMPO MAGNÊTICO FONTES DO CAMPO MAGNETICO INDUÇÃO MAGNÊTICA CTRCUITOS COM CORRENTE ALTERNADA EOUACOES DE MAXWELL E ONDAS ELETROMAGNETICAS @TICA PROPRIEDADES DA Luz IMAGENS OTICAS INTERFERÊNCIA E DEFRAÇÃO SISTEMA TNTERNACTONAI. DE UNIDADES (Sl) E FATORES DE CONVERSAO DADOS NUMERTCOS TABELA PERIODTCA DOS ELEMENTOS REVISÃO DE MATEMATICA CRÉDITOS DAS TLUSTRACOES RESPOSTAS DOS PROBLEMAS 'IMPARES ¡NDICE ERSICR ITIIDDERIRA: RTECATTICA QTIAITTICA, RELRTTRIRRDE E IT ESTRLITIIRA Im MATERIA A DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA E A FÍSICA QUANTICA APLICAÇÕES DA EOUAÇÃO DE SCHRÕDINGER OS ATOMOS MOLÉCULAS SOLTDOS RELATIVIDADE FÍSICA NUCLEAR PARTiCULAs ELEMENTARES E O COMEÇO DO UNLVERSO SISTEMA IIÉITERNACTONAL DE UNIDADES (Sl) E FATORES DE CONVERSAO DADOS NUMÉRICOS TABELA PERIODICA Dos ELEMENTOS CRÉDITOS DAS ILUSTRAÇÕES RESPOSTAS DOS PROBLEMAS ¡MPARES TNDTCE
  7. 7. ;rãícíñàíiâiãããs/ V " 1' aíw%âíi7fà'íãíctêiwB#à? !ftãaüiãáãüãàákwãiíãêEwXzSSiSWá VOLUME 2 PREFÁCIO m¡ SOBRE OS AUTORES xxvi¡ *-= - materia¡ opcíor-. czi P A R T E IV EIEÍRÍCEBÂBE E MÀGNETESMO 'i c i3¡ r» é 'r a a. o 2¡ o campo : msmo t: nlsmmunçõzs DISCRETAS o¡ CARGAS 'I 2M Carga Elélrica 2 Quonrizoçõo da Carga 3 Conservação do Cargo 3 212 Conciulores e lsoiantes 5 Carga por Indução 5 21-3 Lei de Coulomb ó Força Exercida por um Sistema de Cargas 9 21-4¡ O Campo Eiétríco 12 Dípalos Elétricos 16 2 E-S tinhas de Campo Elétrico 17 ? Ló Movimenío das Cargas Pumiformes nos Campos Eiérricos 20 2137 Dipolos Elétricos nos Campos Elélricos 23 Resumo 25 Proíücmcss 26 c A a» i 'i' a B. o 22 cnrrwo ELÉTRICO u: nlstmulçõzs courinuns DE CARGAS 34 22-1 Cóicuío do Campo Elétrico o Partir do Le¡ de Couíomb 35 Campo E sobre o Eixo de um Segmento c| e Reta Finito Carregado 35 Campo Fora do Eixo de um Segmento de Reta Finilo Carregado 36 Campo Devido a um Segmento de Refa Infinito Carregado 37 Campo sobre o Eixo de um Ane¡ Carregado 40 Campo sobre o Eixo de um Disco Carregado Uniformemenle 41 Campo Devido o um Plano Infinito Carregado 42 22-2 lei de Gauss 43 Fluxo Eiétrico 44 Enunciado Quontilarivo da Leí de Gauss 45 22-3 Càlcuio do Campo Elétrico o Partir da Lei de Gauss 47 Simelria ? Iana A8 Simetria Esféríca 49 Campo Devido a uma Casca EsFérica Fina Carregado 50
  8. 8. X Stttllítlict Campo Devido a uma Esfera Carregado Unitormemente 52 Simetria Ciiindrica 54 22-4 Descontinuiciacie de É_ 55 22-5 Cargas e Campos Elétricos nas Superfícies Condutores 56 22-6 *Dedução da Lei de Gauss o Partir da Lei de Couiomb ó1 Resumo 63 Probiemas 64 c: : , ss as» i 'ii u a. o 23 o POYENCIAL ELÉTRICO 72 23-1 Diferença de Potencia| 73 Continuidade de V73 Unidades 74 Campo Polenciai e Campo Elétrico 75 232 Potencial Elétrico Devido o um Sistema de Cargas Puntiiormes 75 23-3 Calculo do Campo Eiétrico a Partir do Potenciai 80 *Relação Geral entre e V81 23-4 Cólcuio do Potencial V para Distribuições Contínuos de Cargo 82 Potencíai Vno Eixo de um Anel Carregado 82 Potencial Elétrico Vno Eixo de um Disco Uniformemente Carregado 83 Potencial Elétrico VDevido a um Plano Infinito de Cargas Elétricas 85 Potenciai Vtnterno e Externo a uma Casca Esférica Carregado Só Potencia¡ V Devido o um Segmento de Reta iniirtito Carregado 89 23-5 Superfícies Eqüipolenciais 90 O Gerador de Van de Graeff 92 Ruptura Dielélrica 94 Resumo 97 Problemas 99 e a e ã 'i' u n. o 24 ENERGIA rzrrrnosráncn s cnpncnñncln 105 24-1 Energia Potenciai Éielrosiótica 106 24-2 Capacitôncia 109 Capacitores 110 Capacitores de Piacas Paralelos i ! O Capacitores Ciiindricos 1 1 1 24-3 O Armazenamento de Energia Eiétrica 1 i3 Energia do Campo Eletrostatico t ló 24-4 Capacitores, Baterias e Circuitos 1 17 Combinações de Capacitores 1 18 24-5 Dieiétricas 124 Energia Armazenacia no Capacitor com Dieiétrico 128 24-6 Estrutura Molecular de um Dielétrico 130 Vaior da Carga Ligado 133 "O EÍeiIo Piezoiétrico 133 Resumo 134 Problemas 135
  9. 9. c A 1P i 'a' u t. o 25 CORRENTE náutica E ctnctmos n¡ CORRENTE cottrittutt 144 25-1 A Corrente e o Movimento das Cargas 144 25-2 Resistência e Lei de Ohm 148 25-3 Energia nos Circuitos Elétricos 153 FEM e Baterias 154 25-11 Combinações de Resistores 157 Resistores em Série 157 Resístores em Paralelo 158 25-5 Regras de Kirchltoif 1ó3 Circuitos com uma Única Maiha 1ó3 Circuito com Múltiplos Maihos ióó Amperímetros, Voltimetros e Ohmimetros 170 256 Circuitos RC 171 Descorregondo um Capacitor 171 Carregando um Capacitor 173 Conservação do Energia no Carregamento de um Capacitor 176 Resumo 177 Probiemas 178 c A e i s u s o 26 o campo MAGNÉTICG 19o 26-1 A Força Exercida por um Campo Magnético 190 26-2 Movimento de uma Cargo Pontuol em um Campo Magnético 195 *O Setetor de Velocidade 197 *A Medida de Thomson para q/ m dos Elétrons 198 *O Espectrômetro de Massa 200 O Ciciotron 201 263 Torques sobre Espiras com Corrente e imãs 202 Energia Potencial de um Dipo1o Magnético em um Campo Magnético 205 2641 O Eieito Hai¡ 207 "O Efeito Hall Quântico 209 Resumo 210 Probíemas 21 1 c A P31' u n. o 27 FONTES no campo mttsttêrtco 21a 27-1 O Campo Magnético de Cargos Móveis Pontuais 219 27-2 O Campo Magnético de Correntes: A Lei de Biot-Smart 220 É Devido a uma Espira com Corrente 221 É Devido à Corrente em um Sotenóide 225 É Devido à Corrente em um Fio Reto 227 Força Magnética entre Fios Paraieios 230 27-3 Lei de Gauss para o Magnetismo 232 2741 Lei de Ampére 233 Limitações da Lei de Ampére 236
  10. 10. xi¡ 27-5 Sun Iú¡ i-i Mognelismo nos Malericiis 237 A/ lcgnerizaçõo e suscetibilidade Magnético 238 Momentos Magnéticos Alômícos 239 *Poramcgnetísmo 242 *Ferromogiwelismo 243 'lDicmognelismo 247 Resumo 249 Problemas 252 cswsiwsme : w ¡Neuçño ¡viasnéílcn 261 28-1 2812 28-3 28-4 28-5 281) 28-7 28-8 28-9 Fluxo Mognélico 262 I~I: M Incluzida e Lei de Faraday 264 Lei de Lenz 267 FEM induzida por Movimenío 272 Correntes Parasilos 277 lncluiôncia 278 Auio-indulôncia 278 lndulâmcío Múlua 280 Energia Magnética 281 *Círcuiios RI. 283 *Propriedades Magnéticas de Supercondutores 288 *Eleilo Meissner 283 *Quoniizoçõo do Fluxo 289 Resumo 289 Problemas ? .91 âíêxiPiTülo 29 ClRCBITOS COM CORRENTE ALTERNRBÀ 301 29-1 29-2 29-3 29-4 29-5 296 29-7 Geradores de Correnie Aliernoclo 302 Correnle Alterncda em um Resíslor 303 Valor RMS [Root Mean Square] 304 Circuilos com Corrente Aiternado 306 Indulores em Circuitos com Corrente Allernada 306 Capocítores em Circuitos com Corrente Alterando 308 *Fcisores 31 l *Circuilos LC e RIC sem um Gerador 3l2 "Circuilos RLC Excitudos 315 Circuitos RLC Série 315 Ressonância 317 Circuilo RLC em Paralelo 323 "O Tronsfonuador 323 Resumo 327 Problemas 329 S( Wire. :rl
  11. 11. CAPÍTULÕ 3o zouaçõzs n¡ mnxwm e armas zrrrnomn'çu_írrj_c_r_rs “jus de Maxwell 339 Energia e Quonlidode de Movimento em uma Onda Elelromognélíco 349 304 Corrente ele Deslocamento 30-2 Equações de Maxwell 342 30-3 Ondas Eletromognéticos 343 O Especlro Eletromagnélico 344 Produção de Ondas Elelromognéricas 345 Radiação de um Dípolo Elétrico 345 30-4 * A Equação de Onda para Ondas Eletromognéticos 353 Derivoçõo do Equação de Onda 353 'Resumo 359 Problemas 360 PARTE v ÓTICA c a r» i 'r u s. o 3'¡ pnoprzrsnnnzs nn urz 36 31-3 33-2 31-3 Especlro c| e Luz 366 Fontes de Luz 367 Espectros de Linho 367 5 Dualidade Onda-Porlículo 366 Absorção, Espolhomento, Emissão Espontânea e Emissão Estímulado 369 Lasers 371 A Velocidade do luz 374 A Propagação do Luz 379 3M 316 Princípio de Huygens 379 Princípio de Fermol 380 Reflexão e Refroçõo 380 Mecanismos Físicos por o Reflexão e Relroção 381 Rellexõo Especulor e Reflexão Diluso 382 lnlensidade Relativa dc: Reflexão lnierna Total 3 Mirogens 387 Dispersão 387 31-7 Polarização 390 Luz Refletido e Tronsmitido 383 84 Polorízoçõo por Absorção 391 Polarização por Reflexão 392 Polarização por Espolhamento 393 Polarização por Birrelríngêncio 394 Demonstração dos Leis do Reflexão e do Refroçõo 396 Princípio de Huygens 396 Princípio de Fermal 397 Resumo 399 Problemas 40¡
  12. 12. xiv Éãravnufurz: : cooúvoso 32 IFJIAGERS óticas 407 32-4 32-2 32-3 32-4 Espelhos 407 Espelhos Planos 407 Espelhos Esléricos 409 Diagramas de Rolos para Espelhos 414 Lonles 418 Imagens For-modos por Reíroçõo 418 Lemes Finos 422 Diogromos de Roios paro Lentes 426 Combinação de lentes 428 Lenles Compostos 43l *Aberrações 431 *lnslrumenlos Ólicos 433 “O Olho 433 *O Amplíodor Simples 436 *O Microscópio Composlo 438 *O Telescópio 440 Resumo 444 Problemas 446 C [à E» 'í' U ll. . Ô 33 IHTERFERÊHCIR E DIFRAÇÃO 454 33-1 Dilerençc de Fase e Coerêncio 455 33-2 ¡rarerlerêrwcio em Filmes Finos 456 33-3 Padrão de interferência em Duas Fendas 459 Cálculo cla lnfensiclode 461 33-4 Padrão c| e DllFGÇÕO c| e uma Fenda Único 463 Podrõo de lnlerlerêncio-Dllraçõo de Duas Fendas 465 33-5 '” Usanclo Fcrsores para Somor Ondas Harmônica: âóó *O Padrão de lnlerFerêncío de Três ou Mais Fontes lgucilmenle Espoçoclas 467 *Calculando o Padrão de Dilroçõo de uma Fenda Único 469 *Calculando o Padrão de Dííroçõo de Múltiplas Fendcs 472 33-6 Dilmçõo de Frounholer e Fresnel 473 33-7 Dilroçõo e Resolução 475 33-8 *Redes (Je Diíroçõo 477 '^ I-lologronxas 480 Resumo 48| Problemas 483 ÂPÊNÊICÊ A SlSÍEMÃ ¡NTERNRCIONAL DE IJBIIDÂDES (Sl) E FAÍORES DE comvznsño 49o Assê-: Noãcrs B saimos NUMÉRICOS 492
  13. 13. r Ívawtwãíin) XV APÊNDICEC 'casual PERIÓDICA nos ! imensos 49s s P à N o I c E o REVISÃO n¡ ¡tmTEMÁTlCA 497 CrécÍitos dos Ilustrações 520 Respostas dos Problemas lmpores 522 ludice 5115 i r I
  14. 14. líslamns oxcqacioawellxnenle felizes em apresentar a ajuínta edição da obra Física para (Íiunlisrlzs c ! _:›¡_-; v›IIu. -¡rus. No Liecorrer cla : revisão que culminou com esta edição pro- a: uranuvs reforçar os ; ãonlcws fracos da edição anterior, de modo que este novo texto ficou nmais realista e mais empershado em utilizar ferreunentas nwtivacíonais de aprondizacio pena um curso introdutório de física baseado no cálculo. Com a ajuw da dos mvisures e : :lc muitos Lnsnaários da quarta edição, tivemos o cuidado de exa- minar u rol' í na r cada aspecto do livro cc m o objetivo de ampliar a compreensã o do vsludantc* o conduzido ao SIICCSSO. Nosso objetivo incluiu a ajuda aos esfudalíles¡ aumunlcsamdxw sun capacidad: : de resolver problemas, tornando o texto mais acessí- wl v d: : fácil leitura c ¡Jreservando a flexibilidade do texto para os professores. : ewxcxxmkna-MwcrwwuirxkmwvAssmt-wxsawxnmxwzmnwwmmwmxlemmwmñmcàmmman a-. Lwwx-! u/Lt-rsn-: :Mmouxayumtc Lima das : nais importantes decisões no sentido de atender aos nossos objetivos foi o (Iv ÍIKTnrp()1'a1' algumas melhoüas aos exemplos resolvidos que ul-ilízazn o for- nmio lado n lado, inlmduzido na quarta edição. Nesses exemplos são justapostas as eriapas ; Jara a solução do ¡aroblenm com as equações necessárias, de modo a fi- rm' : nais fácil para os estudantes observarem os desdobramentos de um del-anui- mdn muhluzna. 0 formato lado a lado utilizado nos exemplos resolvidos fo¡ uma sugesfão dos estudantes; apenas adícíonamos uns poucos deialhes de acabamento: ' . ~¡I«'n l'- Vlllllltlilllü (lc. cmi: : prnblclnzl. w cxnuletntvs situ Íllzlllzíclzls u ; vcnsm- nn NPR'lI1'lIÍI'Í! ll'l! lh'lI 11a Solução (Ir) Pralalwrut. Ncssc ilc m o ¡vrolvlcznzn é - 1.3111 . lixeiríríu gcraluncmc xcgttc a soluçãn dos cxclnplaxs. ¡acrmitizuziu : ms estudantes tcslm' su: : comprccnusãc) : llrzulás d: : snluçàn (lc um pruhlmna similar sem qualqucl' ajuda. As 11351108135 são fornecidas com o Exercício. (lc. mudo a propiciar um retoma) inmdinto c soluções alternativas. Íx . dan-Inc c : as «rsluxlznaucs são scnlnn' um (li: vamu (Ir com» hvrc. (': ul: tc1:1p:1 da solução «mim ; qnrscnludax na 113m1:: «lc um tcxlo. n21 culuna¡ do lault: csquclxln. u : Is mrwsp¡mclcnlçs cqll: lçõc. ~; lhalCnIlÍlÍCnS na rulunz¡ ¡ln link! (lírciln. - Àñ : Vrum nn lúnnino do xtxclnpln) nlmlnczln¡ . x impnrleílu: izl un n rclcvàlacin d: : ncnnplx: 01|. anindn. .xugcxcm uma livrou¡ ¡líxtllllál para sua suluçãu. 4 ; V)", S l"c'r'ifícupí›cx alcrmun os vcri 1'¡ vaunhcnnscrx ¡ › '- n' ° -us rcsnnlladus : :uniu um ¡uluçíl illidiic¡ qumltn mn ! PÍRIÇÍIH à uI/ _nnlbilillanlc dm' cálculos znanlcnnílicqns.
  15. 15. XVlIl ? us-lrficiau 'Todos 05 crxemplos foram analísacios, e etapas foram adicionadas sempre que Lima hipotese tenha sido Liíilizaida; foram izicluídas novas Notas c, quando apropriado, alta-nula a seqüôsiria na solução de exercícios e apresentados novos diagramas de ttor-¡ana livre. As respostas foram agora destacadas com um quadro, de forma a toi-ná- las: de fácil consulta. As novas cairacicrísticas do texto incluem a Verificação dos Exercícios, que «oferece um teste rápido, ajudei ndo os estudantes a analiszirem suas _ _ cn”. respos * com logica. 1 . _ ' , . . . . , . c c last-ai eclugac¡ laimlvem inclui tlois tipos : :le exemplos especificos que oferecem aos estucl-nntes oportuniclaitles ímpares na solução de problemas. Os exemplos com a É: v; inclicziçãxu “lente resolver este exuemplo sozinho" estimulam os estudantes a serem CÍÍSCÍPÍÍlTEKÍOS na solução de um ¡nroblemzy e a indicação "Coloque-o no Contexto" indica q ue o L-. xc-. nualc› se aproxim-a dos cenários cla vida ¡ea! que eles poderão en- contra r como cientistas. Exemplos com a indicação "Tente resolver este exemplo sozinho" (Íomc) o eXt-'Blíplü msolviclo regular, ctstes utili- zam o forma lo lado a lado, porém nesse caso o item Desc-nxrcwlvi mento cia Solução cio Problema 3 . .. ,.-. .'. . . om. _.. ... -.x. ,«›s. w.. ... n . mu. é omíticliu «algumas rezes e as descrições na co- luna do indo esqucrcíi) são mais sucintais. Esses exemplos orientam os estudantes a u ma solução pa "ao a passo sem rcalizeirem os cálculos nnate- mátlciiss torrespondentes. Os estudantes perce- berão que esses exemplos são muito úteis se co- brirem a coluna do lado direito o ficarem aten- tos à rcaalixação dos (Éálttllüs po r si pxóprios, an- tes : :ie Ulhill' as itquaçõcrs. Dessa formam, os estu- dantes. podem raciocinar' zitraxrcí-s das diversas S; etapas ciuanclca eo m ¡vlelarem as respostas. Exemplos com a indicação h "Coloque-o no Contexto" N. Em cada trapítulo desta edição, no ¡nínimiv um . «exermplci resolviclia é identificado como "rica- ¡ mi-rnte contexto zilizeid o". lÍi-: stzs exemplos podem u inclui r ínformeições não necessárias à SOÍLIÇÕO do t. motilcrnzi ou ¡aodem exigir do estudante a ob- ienção (ie ¡11Í0l'n1üÇÕQS 'adicionais em tabelas ou . - ' "“ " . . - ( Lindos de ttxinu" "ncias ou informações obtidas i É an E(§l'¡()l'l11(! nl(? . Íf. XOI'I'! ]_)| i')S ricamente contextua- " Iixados refletem a ÍOFETN¡ cle cus cientistas e enge- f - nheiros i'csolvz_›i'e1ii problemas do numclo real, I: La u m wlcCullo o" h, da University of Wisconsin, i Stoule1'hoti^ieis slor, da Southern Illinois Uni- Í" versity, litiwarçlsville, lístaclzus Unidos, inicia- ram esse tipo c| e exemplo, nos consulfaram o aju- claram na ¡nrepziraçát› de muitos alelos. 1 à. co. c. .
  16. 16. 'n- wwm-; ummaua-nxmnwmv . “m, mcmwmmywumwàwmiuwàmmmz . qualidade u a da . .. a dos probielhas ao final de cada ceipítulo receberam extre- mo cuiclzitio. (Torta (le 20% dos 4I«. SOO problemas são novos, eiaborad os por Charles Ailicr, do St. lviaryüs Eloilegc-Maryland, nos Estados Unidos. Os problemas convvitineiis foram grupaclos no início de cada conjunto de problemas, e uma nova unvgnrízi de ivroblernns envolvendo Estimativas e Aproxiznações foi introduzida ; nu-a onirm-eiizn- os (asiuclaxites a pensarem mais con-io cientistas ou engenheiros. As rirspiastas aos problemas ímpzlres são fornecidas no final da obra. Cada prohicanzl é assinalado com um ícone em forma dc um. dois ou três pontos. idcnlíficaaido seu nívci (lc (liliculdntlcr. . 131m tem uma série clecaract . tiras do forma c ccliçã o que tornam: o livro uma valio- 5.1 Ibrran-ionta do ensino. Aspectos importantes da úl- tima¡ cdiçñci fora m revisados e algumas xmvas caract» nsiiras foram inirocluxiclas para que o texto ficasse : nais cnvol'cnl'e, convidalixrci c atuaiizzido, Nova Abertura do Capítulo o Agi-ira catia itapíiiilo começa com Luna questão que é r't? S|)f, )n(iÍL'| a a través de um exempio resolvido no in- lvrinr do capítulo. !Esse 'aspecto pedagógico expõe o es- lucianlc ao iamterizil do c-apítulo, c desperta sua moti- vação para a solução do probíenaa. e (Íada Cilpiitlií) lista os títuios das principais seções, fnmzrccncimw um roteiro aos estudantes. o Os principais conccítos czmiticlizs no capítulo são re- ailçaclos. Inovações no conteúdo 0 Capítulo R, um pequeno capítulo clo Volume 1, é breve o suficiente para ser apre- smtauliv em uma ou (luas aulas, permitindi) aos ¡arofessores incluir esse importan- ic 'c mmíkfrnt) tópico : nais: cedo em seu curso de física. O cagiítulo evita a abstração . issuciadaa às transformeições dc Lmrentz e se conctantra nos conceitos básicos da contração dos CL)I11!Jl'ÍITIGI1I'IJS, cia Liilataçãi) do tempo e da simuitaneidade, ¡Utilizan- do L'X|7(YI'ÍR1CHIOS icl utilizados envolvendo réguas e Ireiógios de luz. A : relação entre qnmtlirladtr cio nwvimento rciaiixrístíca e elfuslfgia reiativísiica também é apresen- Irlfid. (APiTUIO . e . u. em. .. ¡m-›d4 m. . kun¡ 'uonlonyínnl mg. .uma. .. .a l “up-qmnum. ... ..nwgmwsa»ss-wwwa»mm-mm-n. -u~›~mauw. ... v.. mnq~nçm«. .arar/ nua!
  17. 17. XX 'Teoria Quântica: (.75 Capítulos 17, "A Dualidade Onda-Partícuia e a Iiísica Quântica", e 27, "A "Fantin : Vlicrcisctñiwícaa cla Condução de Eletricidade", da quarta edição Fora m deslocados para sua posição : nais tradicional no Volume Ill da quin- ta ecliçãt) nos (Ízlpíiulos 37 c! 38. Alterações no Procedimento: o conteúdo desta edição recebeu ainda diversas outras importa : Ites: melhorias: ° C35 diagrmnas de movinmntca foram intmdiizidos na Seção 3~3 e Lxtiiizados para se estimar a (arienlnçãca cio vetor aceleração através da definição de aceleração. ° Na Seção 4-4 as forças de a trito foram agora in trod uz¡ das qualitativamente, per. - mítintio que seria m incluídas nos diagramas de corpo livre. Um tratamento quan- titativo de forças Liar atrito é visto na Seção 5-'i. o A Süçãü 4-7 introduz ¡aroblenws com dois ou mais corpos. A escolha de um con~ junto de eixos coordenadtms para cada corpo é Lima mática ¡robusta para a solução de: ¡problc-nias c m que se Laliiizanx as ! mais de Newton em sistemas constituídos por dois ou mais Corpos. O valor dessa prática é revelado no exemplo em que Sílvio cieslizzi por uma goleiro enquanto Paulo ia caiu de sua borda. ° Na Seção S6, "Sislemais com Massa Continuamente Valtiáxrel", a equação básica de I11(')'ÍI11Lêni() para um corpo com : massa conlinuamexwte variável (a equação do fL›; _;i. ¡et'e) é clesenvolvicle¡ llillÍZñndO um corpo que esta' aumentando sua massa -~ como o Iagão aborto cl e um trem sob chuva - ao invés Lie um corpo que está pet'- clcncio ramssa ~~ como um FOgLICÍG eliminando os gases resultantes cia queima do C0|11bLlSi'f'Cl. l; ,. a representação facilita tanto o desenvolvimento da equação bá- sica do movimento (Iuantn sua apiíntaçãca a certas situações. v No Ca ¡aítulia 9, "Rotação", é apresentada uma nova seção que fornece as orienta- ções para solução tie ¡arobiemas com a aplicação da Segunda Lei de Newton para a rotação. a Na Seçñ o '13-3 a CÍÍSCUSSÕO sobre empuxo inclui a go ra as forças de campuxo sobre corpos: a poinclos cam superfícies Submersas. - No Ciapíiuli) "til, relaçõ( ntre trabalho e energia são expressas em função do lraballu) reaiizeirlo sobre o SIbÊÚITIEI. A primeira lei da tennodínâmíca também é agora-i expressa em função do trabalho realizado sobre o sistema. (O Serviço de 'fostes IÍíL-liurzicionaiis: Lios 'EUA aciotorl a convenção de que o termo trabalho, na pri- mci ra lei da tormocliiiñuiiica, suja o trabalho realizado sobre o sistema. Essa conven- ção vem soneto ziclolndza nos EUA por todos os Lârgãtxs de aplicação desses testes. ) Àplíccções adicionais em engenharia e biologia malicaçfios adicionais enfatizam a FCIQVÕHCÍô da física nas experiências acadêmi- cas, nos estudos i7OSÍUFÍOITÉS c nas futuras carreiras. Novo foco nas falhas mais comuns Alguns tópicos que geralmente causam certa confusão são identificados com um xiovo ícroncr (íestacranzio a ciíficulçizicle. Por exemplo, na Seção 3-4 o sinal é Lisado para idontiíiLtat' o pon to : :le cl iscussão, que no caso e o fato de os movimentos hori- zontal c. 'e¡'lí('al : :m-em inclep-encienles na trajetória de projéteis. Novo formato e ilustrações adicionais O livro apresoiilzl figuras e ilustrações mais realistas. Cada detalhe das figuras foi (Zuídadosamenlc! considerado, e m u¡ tas foram revisados para se tornarem mais com- pztmnisívzzis. Apl'0XÍ|11i1CiiH10l1 te 245 ¡wvas figuras foram incorporadas, incluindo IHUÍÍOS novos dia gramas de corpo livre nos exemplos resolvidos. Novas fotos de- ram mais realismo a m Lulas aplicações da física ao mundo real. al lu ¡. .~ 511¡ i. . '(15 : mu: SU 1*. .
  18. 18. Seções Opcionais O livro Io¡ idealizado de forma a pernnitii' ao professor uma certa flexibilidade e aminnninía no considerar cicsterniinaclas seções como "opcionais". Essas seções são marcadas com um : asterisco "*"', e os professores que desejarem pular essas seções podem Íazô-lo, ficando conscientes de que seus alunos 11520 perderam qualquer (follCtJllü (lc que precisarão nos capítulos posteriores. Resumo Os resumos ao final (le cada caloitulo são organizados com os tópicos mais importan- les à usquL-rcla o as equações e observações mais importantes à direita. Nesses resu- mos, as crquziçõtés-chzive do capítulo aparecem juntas, para facilidade de consulta. Explorando experiências Os estudantes são convidados a analisar desdobramentos interessantes dos con- ceitos umiticios nos Capítulos através ele pequenos textos relacionando os concei- tos dv um capitulo a OLIIPOS fenômenos, desde o clima até os transdutores. Materiais Suplementares Os professores que adotarem o livro podem solicitar à LT C materiais suplcnurntnres de apoio ¡pedagógictx em inglês. O pedido deve ser encaminhzulrv a: IÍFCÍ -- Livros 'Técnicos e Científicos Editora S. A. . = ! C Editorial 'técnico 'I'm russa! do Ouv lflül', 1] Rio de Janeiro, R] - CEP 20040-040 'lblz 7 l--Íl97(l-91l30 Fa. 21 --2221 -3202 llclííâl Iced i tem . com . b r WW ¡an! lcecl i tora . com. br m . .. mu›mww¡n= wxzm: cnm2xmxmm: °wmm . ,eñgsseasâtoss ¡sxs-. .un»wuzzzuwmvavxvznzmmwnwúgwawxzm ~› -›- -~ - Somos gra los a muitos professores, estudantes, colegas e amigos que contribuíram não ¡ipenas ! nesta edição, mas 'taznbém nas anteriores. Charles Adler, clo St. M_ary's College-Maryland, foi autor de novos problemas izxcelcntes. David Mills, do College of Reclwoods, realizou uma revisão extensiva do ¡aianual de soluções. Robin Jordan, da Florida Atlantic University, áesenvob veu os exercícios Nllísim' the Concept e os problemas ¡SOLVE Checkpoint. Lenita McCullough, da University of l/ Visconsin, Stout, e Thomas Foster, da Southern lllínois U niversilzy, lííclwvardsvílle, colaboirarazn com suas experiências em pesqui- sa c educação em física e foram responsáveis pela implementação dos exemplos ríceimeziliv cont-cx tunlizacios em cada capítulo, bem como pelos novos problemas scihre lístimativas e Aproximações. Recebemos inestimável ajuda dos professores n seguir relacionados na verificação da exatidão do texto e dos problemas: Karamjeel Arya, Dan Lucas, San _luso State University University of Wisconsin M ¡chao! Crivella, Icannctte Myers, San Diego Mesa College Clemson University David Faust, Marian Peters, ML l-loorl (Tummuni : y College Appalachian State University Jerome Lícini, Paul Qttlnn, Lehigli Lfniwrrsily Kutztown University
  19. 19. - °' u; q» . XXII l KüSCrlÍKl Michael (3. Strauss, Llniversity of Olclahotna ("merge Zober, Ymigjt Senior l-ligh School Patricia Zobcx, Ríriggold High School iviuitos twrofessores e esludazites contribuíram com extensivas e úteis revisões de um ou mais capítulos. Cada um deu Lima contribuição fundamental para a quali- dade desta revisão, e são mereced 01.155 de nossa gratidão. Desejamos registrar nos- so a1graclcrcin1entt› aos seguintes revisores: Edward Adelson, The Úhiu State University' Todd Averell, 'the (Ínllcgte of Nilliam u Mary Yíldirím M. Aktas, University ol' North Clarolinei at (Íhariotte Karamjecl' Arya, San _lose Stillo University Alison li-. iski, V irgin ia Com mnntveziilh Llnivctrsity Gary Stephen Blanpícct, Unix-'ersity ul South (Íztrolinn Ronald Brown, Câ1ilÍ()l'!1ln Polylirchn ic State University Robert Coaldcy, Unix-'vrsity' ut' Southern Maine ltotacrl (Inleman, límory Univet':4ity Andrew Corncíítls, University' ol' NCVHClkI at Las legais Peter l'. C rooker, University' ol' I lnwaíi N. John DiNardo, Drvxci University William Ellis, Univemíty' of 'Fechnolngy-Syciney John W. Far-toy, ttnixrt-irsityr ot' Nevada at Las: Vegas David Hammer, (Íolorafrl o School ot' ixiínes 'Tom i-'urta k, Colorado School ot' Mines Patrick C. Cibbons, “leishinglon l. ll'| ÍV(?1'Sii)-' John B. Gruber, San Jose State Llnivemity Ch I'ÍSl0].7llCl' (Iouict, University of Sioulhvrn California Phuoc Ha, (Treighttiii LJnix-'ersitg/ 'Theresn Peggy l-lariscli, C ln rk (Íollcrge- Ja : rms W. Johnson, Ta l lah-a ssee (Íomln LI nit y CÍnl legc Thomas O. Krause, Towson University Donald C. Larson, Drexel University Pau¡ I. . Lee, California State University, Northriclgc Peter M. Levy, New York University Jerome Licini, Lchigh University Edward McCliment, University of Iowa Robert R. Marchini, The University of Memphis Pete EC. Markowilz, Florida International University Fernando Medina, Floriclzi Atlantic University Laura McCullotsgh, University of Wisconsin at Stout John W. Norbuiy, University of Wisconsin at ¡Vlilwaukee Melvyn Jay Orcmland, ! Pace University Antonio Pagnamenta, University of Illinois at Chicago John Parsons, Columbia University Dinko Pocanic, University of Virginia Bernard G. Pope, Michigan State University Young-Zhang Qian, University ot Minnesota Ajit S. Rupaal, Western Washington University Todd G. Ruskell, Colorado School of Mincs Mesgun _Scbhatm Wintl11'0¡.1 University Marllin L. Simon, Auburn University Zbigníew M. Stadnik, University of Ottawa (3.11. si. L3 n ive. _- Michí Univilv' Chi ngC . «' uh Li. Stcpi líckei* Ravi; Lay * Virgin¡ hrlarh . (Íola . Bren' UCLB . Mari . Ship, tticazr" indian ãVIícl; Univ [David iYlULt-au Phili_ Unix_ v Clin' l hlOÓ¡ j, Kris. . Uni; Micl** Univ; - Davi. . Óhiz_ ' Jantar' Unix-c Êrie _ Uni¡ hmm lrhiê. !Jan _ Prix; Lamy"? ¡cinivc Car'. . L5ni» Jeff ' Linivt Rail. 'the
  20. 20. (LR. Stewart, Lênâvcrsitfç' of I-'toricia A-lichaei (É. Slrailss, tínivcrsityr of Oklahoma (Íliin-(The Tin, Aiihurn University Stephen lvegvpncr, Iívkvn¡ (Tollttgi- Sir/ ..iime E. Willis, Northern Illinois tlnixrersily Ron Zammii, (Ãltliliiriiiai Polytcclmic State University ttevisxires (las Sotuções dos Problemas Lay Nam Chang, Virginia Polytechnic_ instituto ? s-lark W. Coffcy, Colmuuli: School of ivlines llrcni A. Corbin, LÊCI , : Alan (Iresswcit, Shippsrnsbiirg University Rirarilii Decca, indiana University-Piirdue University Nlichaet Dubson, Uniixuzsity of Colorado nl Bonlder David Fa list, ; Hmmi l-lnmi Community College Philip Fraundorf, [Eniversity ot' aVIisscnn-i, Saint Louis Clini Harper, A-lnorpnrk (Íolleign: Kristi ILG. llcndrickson, University of Pugct Sound ? slichacl itildreih, Llnivorsiti- ol Notre Dame David Ingram, (Ítliio University James j. Kolata, University' of Notre Dame Eric Lane, l. íl1Ê"t3l'Sll_. ' of 'Feitnesscm Chnttemoogai Jerome Licíni, Lclllgil University Daniel Mariow, PlÍUITlCIlI Unix-'tarsii y Laura NlcCullongh, Liniversity nl W isconsin at Stoot Carl Mungan, [fruit-rd Fita tus Naval Academy jetfry S. Olafscn, líniversity of Kamsas RJ. Rollefson, Wesleyan University Andrew Scherbakov, Georgia Institute of "Fechnology Bruce A. Schumm, University of California, Santa Cruz Dan Styer, Oberlin Cotlege Jeffrey Sllndqllislí, Palm Beach Community (ÍoiIege-'South Cyrus Taylor, Case Western Reserve University Fulin Zuo, University of Miami Revisores do Guía de Estudo e Banco de Teste (Study Guide & Test Banid* Anthony). Buffa, California Polyteclinic State University Mirela S. Fetea, University of Richmoxitl james Gamer, University of North Florida Tina Harriott, Mount Saint Vincent, Canada Roger King, _y City College of San Francisco John A. McClelland, University of Richmond Chun Fu Su, Mississippi State University john A. Underwood, Austin Community College Revisores de Mídia Mick Ameti, Kirkwood Community' College Coronel Rolf Roger, U5. Air Force Academy John W. Farley, The University of Nevada at Las Vegas David Ingram, Ohio University Shawn Jackson, The University of Tulsa Dan Maclsaac, Northern Arizona University Peter EC. Markowítz, Ftorida international University Dean Zollman, Kansas State University Piraickcio XXlll “Mic” PWTTPL 'Este material refere-se à edição original em inglês e não consta da edição ini- . Sinto University ol' New York al Binghamtnn brasileira. (N13.)
  21. 21. XXÍV l're: Í(Í¡(: i<: › Participantes do Grispo de Mídia Edwin R. jones, Univvrsilg/ nl' South (Íarolina Wiiiíanl C. Kerr, Wake Forest University Taha Mzoughi, Mississiivpi State Llnivcrsíty (Thai-les Niedcrriter, (Êusldvus Adolphus (Ínlitzgc Cindy Schwarz, Vassar College Dave Smith, University of the V irgin Islands DJ. Wagner, Grove City College George Watson, University of Delaware Frank Wolfs, University of Rochester Estamos ainda em débito com os revisores das edições anteriores. Portanto, gosta~ víamos do t1gI^íKiBCBJÍ aos scrguizit-es revisores, que forneceram suporte indispensá- vel tlurantc: o desenvolvimento da quarta edição: Michae¡ A meu, iuwn State lJniversity Witliam Bassichís, 'Texas A&M joe¡ C. licrlinghierí, 'the Cilaclzrl Frank Blall, Michigan State University john I-I. Byrne, Grmzzngz¡ lJnix-'ersiiy' Wayne Carr, Sivvrrns Inst ilnlc of 'fcchi1olngy George (Iassidy, Un iwrsily of Utah LV. Chívets, 'Trinity College, University of Dublin Harry T. Chu, University of Akron Jeff Culbcrt, l. ()l1('il.7l1, Ontario Paul Debcvec, Linivcrsity of illinnais Robert W. Dclcnback, University of Vermont¡ Bruce Doak, Arizona Slate Llnivttrsily John Elliott, Uni'0¡': ~¡ily of M-anchcster, tngiiiterra James (Jarlantl, A ; norton la d o Ian (Iatland, (liturgia Instiltllc ofilzrhiitilogy R011 Gnulrcaxl, Now _Icrsey Institute of 'Fuchnoiogy David (Zavenda, Llniversity of 'Fcxas at Austin Newton Cronenberg, SUNY Binghamltsn l-luidnng (lixo, (Ínlulnlwia University Richard Haracz, Drexel University Michael Harris, University of Washington Randy Harris, University of California al' ! Davis Dieter tlartmanit, Cicmson University Robert I-Iollebeek, University of Pennsylvania Madya Jalil, University of Malaya Monwhea Jeng, University of California-Santa Barbara [Ion Joseph, Columbia University David Kaplan, University of California-Santa Barbara John Kidder, Dartmouth College Boris Korsunsky, Northfieid Mt. i-iermon School Andrew Lang (pós-graduando), University of Missouri David Lange, University of California-Santa Barbara Isaac Leich ter, Jerusalem College of Technology Wíiliam Lichten, Yale University Robert Licbermen, Corneil University Fred Lípschultz, University of Connecticut Gtaeme Luke, Columbia University Howard McAllister, University of Hawaii M. Howard Miles, Washington State University l. : Ut
  22. 22. Mntlhciv lviuelter, l_i[1i'('r5ílt' nf Pugvl' Sound [Eugene lvlosca, liillr'i'lSl41l(. 'S Naval Academy Ailceit (Ylítonugluic, S! t. aix'i'cncc University' Jack Ord, University ot' Naterloo Richard Packard, Univtrisily oi (Íaliiornizi George W. Parker, Nmllt Carolina Slate University lidward Pollnclc, Unii-'irrsity' ol Connecticut John M, Pratle, Clayton (folic ; o and State University Brooke Pridmorc, (Ílaytnri Stillo (Ínilcgo. David Roberts, tlmitnlcís Llnivcrsity Lycle D. ttnelofs, l-l nvci'l'twrt'l (Jol large Larry Rowan, University oi' North (Íarolirta at' Chapa-l Hill Lux-is lí. Ryder, University' nl Kent, Canterbury llcnld Sclntlller, University' ol Cenrgiit Cindy Schwarz, = '.1:~': ~'. .'1 r Col logr- Murray Srureman, Amdaltl Corporation Scott Sinawi, Colttmbia University Wesley H. Smith, University ot' Wisconsin Kevork Spartalian, Univeisity of Vermont Kaare Stegavik, University of Trondheim, Norway Jay D. Strieb, Villanova University Martin Tierstcn, City College oi New York Oscar Vilches, University of Washington Fred Watts, College of Charleston _lolm Wcinsteiit, University of Mississippi David Gordon, Wilson, MIT David Winter, Columbia University Frank LH. Wolfe, University of Rochestei' Roy C. Wood, New Mexico State University Yuriy Zliestkov, Columbia University Certamente, :nosso trabalho jamais será contpleto. Esperamos continuar a receber conwntarios e sugestões de nossos leitores, de modo que possamos melhorar o texto o Corrigir quaisquoi- erros eventuais. Se você acredita ter encontrado algum erro ou gostaria ctc fazer alguns comentários, sugestões ou tirar dúvidas, envie-nos um : r-maii ; vara llcÊDltcccii toi-ei. co111.l~›r. As correções serão incorporadas ao texto nas pró . ximas rUÍInprGSSÕGS. Iiinal men t1!, gostaríamos de agradecer' aos nossos amigos da W. H. Freeman and (Ínmpziity por sua ajuda e encorajamento. Susan Brennan, Kathleen CivéttcmGeorgia Luc Hacllor, Julia DoRosa, Margaret Comaskey, Dena Betz, Rebecca Pearce, Brian lJnnnollan, Jennifer Van Move, Patricia Marx e Mark Santec foram extremamente geitcirxswas com seu trabalho árduo e criativo em Cada estágio do processo. Esta- mos izambétn eigradeciçlos pela contribuição de Cathy Townsend e Denise Kad lulmivski, da PreModiaONE, e pela ajuda de nossos colegas Larry "Fankersley, John lirtvl, Steve Montgomery e Don "freacy, Paul 'Tipdor Gene Mosca . Alameda, Califórnia Annapolis, Maryland Preióicio XXV
  23. 23. xxvi Comentários e Sugestões ¡ pesei r dos» me! ÍIOFES esforços dos autores, dos tradutores, do editor e dos ¡reviso- res, é inevitávaai que surjmn erros no texto. Assim, São bem-vindas as comunica- ções do nsuaírizus Sübil”. correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pucl. -ig: ñ3;ico «nie amxiiicrnu o np¡'in1<›ran1ento de edições int-Lutas. Encorajamos: os cnrnonlárirus dos leitores: que ; andem enviados à LTC ~ Livros Técnicos e Cien- tíficos Iíditorei S. A. no endereço: Travessa do Ouvidor, 'i1 -- Rio de Janeiro, R] - CEP Zflikiil-(kti) ou ao GHCÍLÉICÇCI GÍOÍFÕIIÍCO ltc@ltceditorzLccnnln' lêstárb pai Pini irslt: . i (Ion (ic tits m. . Tir- (taxi Sidi; " ¡Uúiv excéu
  24. 24. n? s rmm-svzrnzxmv PAUL A HPUEÉ : :1n/ .~: :r: uzraw¡ . Pau¡ Tipler nascer¡ em 'I 933 na pequena cidade rural de Antigo, Nisconsim nos Estados Llnirlos. lãlc se graduou em uma escola de (Ushkosh, Wisconsin, oxide seu pa¡ foi snipcrEnlcnclc-nte de Escolas Públicas. Ele recebeu seu título de bacharel na Fui-due Universíly, em "FPSS, e o de PhD. na [Jniversity of Illinois, em 1962, onde Lkxlualml a estrutura dos aiúcleos. !Ensinou ; am um ano na Wesleyan University, em (Ínmncarticul, enquanto escrevia sua tese, em seguida foi para a Oakland Universiv 2). ', em 2-iichi_s; an, (ande s: : lornciu um dos mennhi'os fundadores do departamento «lc Hsiül, Lléll1tÍl); §I'a11('ik“S contribuições no desenvolvimento dos currículos cle físi- ca. !mranlir os 20 : M105 seguintes leeionou quase todos os cursos de física e escre- ruu . a primoir: : c d segunda¡ edições de seus livros, muito Llsaclos, Modern PIrz/ sics llnlf-J, 1073) e Wii/ situa' (1976, 1982). Em 'E982 foi para Berkeley, Califórnia. , (Jude re~ p-c s. sidv. iiunlmnvnlc, c escreveu (Ínllrççrr Pin/ si¡ ' 987) ea terceira edição c| e Plqjsics (1991). .. uam (ld fisica, seu interesse inclui Inúsica, caiminhaclas e acampamentos, e é um vxrclcnlu' iaianistai de ja¡ c! jogador' Cie pôquer. Gene Mosca nasceu na cirladcr de Nova York e cresceu em Shelter Islands, NY. !Sillrlqbu nn Víllnnovzi LJnivc-rsity e sc grncluot¡ na Usiixrersiliy of lvlichigain e na ifnivz-rsity xi| '"cr1ncant, onde rcccrbeu seu PhD. em íl974. Lecionou na Southamlnton ãliidafícliooi, na LJní-^cI'$¡E'_«' of South [Jakota e na lãmpziria State Llaiiversity, !Dust-le lvsntia-nn- leciona na LÀS. Nava! .Maclemy. La' ele coordcanoti o aiúclczn dos cursos «ic fisica pm' IG svmcslriss, c insiiluiu diversas inovações no lnboratórit» e nas seilas . lu . tuia, E"¡-ucl; ian; ~1tlri por ! Mol 'Fipler como "n Últ-Tlhkãl' revisor que eu tive", Aosca ú n . iutm- do ¡wopulnr (Lula cfc Estudo' para a terceira e a quarla edições deste livro. . ›l¡'!1|. '.': 'l'Í; ll: ›. n. cri. - ãi srdicáixvcurigivial cm íngiízse não consta da ardição brasileira. (N15) . .
  25. 25. Elncarte em Cores As páginas que se seguem Ltonlên¡ um conjunto selecionado dc figuras que reproduzem, cm cores, fenômenos físicos c cx erimenlos relacionados com eletricidade, ma nctismo c ótica. 'ê As figuras estão idemiñcztdas por capítulo. . ___. __. .._. .:_. ... ... ... ... . . ..í . _L -_
  26. 26. Carga por contato. Um pedaço de plástico de aproximadamente 0,02 mm foi carregado por contato com um pedaço de níquel. Embora o plástico fique com uma carga resultante positiva, a fotografia ntosira que existent regiões com_ carga ¡tegativa (nnanchas escuras) e regiões com carga positiva (annnchas claras). A fotografia foi tirada pela varredura de uma agulha carregada com espessura de 10” m sob rc a amostra com o registro da força elelmsiática attxantc sobre ela. pjCapítulo 23 Potencial eietrostáfico no plano de um dipolo. O potencia! devido a cada uma das cargas é proporciona] à carga e inversatnente proporcional à distância da carga.
  27. 27. I [I TABELA 25»3 '¡ Código de Cores para os Resislores e Outros t Elementos 'Í' l Cores Número Tolerância Proto -'= 0 Marrom = 1% Marrom = = 'l Vermelho = 2% N* ' à V : E Vcmmcllm = = 2 Our» = 5% Resístnres de carbono codificados por cores em um j' Laranjal = 3 Í'l'at-'¡ = == 10% circuito. V Aunmtélk) = ^~ 4 Nenhuma¡ = 20% V¡ Verde = = . . Í Azul = == (a V¡ Vinicla -'-'-' 7 C inza B Branco = FJ »Í As karina; cnkvríclas devem ser lidas partindo-se da nmais prúxítna da¡ OXIIÉYNÍCÍAILÍC do resistor. As primeiras duas tnrjas i ¡nprcsuntaxn um número inteiro entre 1 e 99. A terceira tarja indica a cguelnlítlelmie cio zeros a seguir. Para n rcsistol' mostrado, . as Caros das p l'ÍI11(! ÍI'í1S lrôs larjas são, respectivamente, laranja, | ¡vrcta o azul. Ass¡ m, o núnuwro é 30.000.000, indicando uma rcsistôm-ia¡ dv 30 MSI. A quarla tarja é a da tolerância. Sc a quarta tax-in é cinza. cnnfornnnv indicado nesse exemplo, a tolerância é de 107a. D07. por cento de 30 = 3, logo a resistência (lcssc resistor vaio (30 : E: 3) NH). Éapímío E (a) Linhas de campo magnético 1 internas c externas em uma barra de ímã. As linhas emergem do pólo norte e entram no pólo sul, :nas elas não têm início ou final. Em vez disso, elas formam espíras fechadas. (b) Linhas de campo nxagnaéiico externas a unha barra ínxantada indicadas por filetes de ferro. ¡lllílllí
  28. 28. 3 1V . .ruína-a (b) Uma foto rafia com falso colorido mostrando o crcurso dc um róton de 1,6 'à P _ MeV (vermelho) e uma articula o: de 7 MeV (amarelo) em uma câmara escura. P í- O raio de curvatura é proporcional à quantidade de movitnento e inversamente ro orcional à car a da articula. Para essas ener ias, a uantídade de movimiento P 8 P 8 q da partícula a, que tem duas vezes a carga do próton, é cerca de quatro vezes : maior que aquela do próton, e então seu raio de curvatura é maior. r, ... F l G U RA 2 7 - 6 (a) Linhas de campo magnético de uma aspira circular com corrente. (b) Linhas de campo magnético de uma aspira circular com corrente indicadas por limaihas de ferro.
  29. 29. F I G U R A 2 7 ~ 3 7 (n) ilustração esquemálica de um domínio ferromagnélicn. Dentro de um domínio, os dipnlns magnéticos cslão alinhados, mas a direção de alinhamcnnlo varia clc domínio para (Iomínío de ta¡ modo que o momento : magnético líquido é nulo. Um pequeno campo mngnélico externo pode causar um amnenio daqueles domínios que estão alinhados pnraleinnncxmtc ao campo, ou pode causar uma rotação no alinhamento interno de um domínio. Em qualquer caso, o resultado é um momento nxagumético líquido paralelo ao cannpo. (b) Domínios nxagnéticos sobre a superfície de um cristal de Fc com 3% de Si observados txsnxmcio um microscópio eletrônico de varredura com análise de poiariznção. Os diferentes tons (ie cinza indicam quatro possíveis orientações dos (iomínlios. Capítulo 30 TABELA 30-1 O Espectro Eletromagnéfico Freqüência, Hz Comprímenlo de Onda, m IÍ)| Svu-n mv'- 1:1'"- 10'? 10H_ J m” ' x _ _H . ¡ - 600 10”- lx: 1 10” _ , hqgcmondas t" 1: 2 1 . wmv ã _ l _ ¡_H cm -- Onda» cn. tas d: : racha ^' "Í _ 1g- 1x_ MO 105¡ Ê . . IU" w ~ « w-Tclcvisãc. c rádin FM -- Ê-l m É . .._. ... ... ... _. -~›) . .., ... ... ... ... . x. .., “M 1 km ›- -~-~›On(lns longas de ; midia - 780 a' I'f”t“¡"n“ ii' n” ¡""¡""x' a xr! l' 3"¡ IA u'”: 'r'“n' I' 1"! 1'""
  30. 30. L lo 3¡ O espectro contínuo visível (topo) e as linhas espectrais (do topo para lmixo) do hidrogênio, hélio, bário e mercúrio. (a) (b) (c) u a Uma coleção de minerais (n) na luz do dia e (b) na luz ultravioleta (algumas vezes chamada c| e luz negra). í = A identificados pelos números no esquema (r), cics são 1, " à a powcrlita; 2, vílcmita; 3, scheelita; 4, calcíta; 5, composto N de calcila e vílcmíta; 6, calcita ótica; 7, vilcmità; e 8, opal. A variação na C01' é devida à fluorescência sob luz. izllraviolctn. Na calcíta ótica ocorre tanto fluorescência quanto fosforescência.
  31. 31. Absorção Eletrodo de Llispam Peixe de luz 300 400 700 Â, nm F E G U RA 3 'l - 6 Absorção versus comprimento dc onda para o Cr” no rubi. O rubi tem aparência vermelha por causa da forte absorção das luzes verde e azul pelos íons de cromo. 'Fubu ciejlnsh FIG u R A 3 1 ~ 5 [Diagrama esquemático do primeiro laser a rubi. _ ¡Zelaxação Transições v' ão-radina vas > 2 d¡ . d. Estados E, 'ah mctaeslzíveis à Laser i5 _ . A Fóton 1 l Absorção 694/3 “m ! Emissão estimulada Estado E¡ fundamental O F l GU RA 3 T - 7 Níveis de energia em um laser a rubi. Para tornar a população dos estados tnetaestáveis maior que o estado fundamental, o cristal de rubi é submetido a uma intensa radiação que contém energia nos comprimentos de onda verde e azul. Isso excita os átomos do estado fitndamental até os níveis de bandas de energia indicados pelo sombreado, a partir do qual os átomos decaem para estados metacstáveis por transições não-radioativas. Então, por emissão estimulada os átomos entram na transição desde os estados metaestáveis até o estado fundamental.
  32. 32. (a) Feixes de um laser de criptônio e de um iaser de argônío, divididos cm suas componentes de comprimento de onda distintos. Nesses lasers a gás, os átomos de argõnío e criptônio têm : múltiplos elétrons retirados, formando íons positivos. As transições de energia que emitem luz ocorrem quando elétrons excitados nos íons decaem de um nível de energia stzpcrior para outro. Aqui, diversas transições de energia estão ocorrendo, cada uma correspondendo a uma luz emitida de diferente comprimento de onda. (b) Um laser pulsado de femtossegundo. Através de urna técnica conhecida como nzodelockilrg, diferentes modos podem ser ox tados dentro de uma cavidade laser para interferir uns com os outros e criar uma série de pulsos ultractrrtns, que têm duração de _ picossegundos, correspondente ao tempo que a luz. !eva para sair e entrar uma vez da cavidade. Pulsos ultracurtos têm sido usados no estudo do comportamento de moléculas durante reações químicas. (c) Um laser de dióxido de carbono leva apenas : tais minutos para cortar uma lâmina de aço. (d) Uma cavidade cortada na zona pelúcída (cobertura externa de proteção) de um óvulo de rato feita por uma tcsam-n laser facilita a implantação. Essa técnica já está sendo aplicada em terapias de fertilidade humana. Vários efeitos contribuem para a capacidade de um laser linamcrtte focado para cortar em escala tão delicada - a absorção de fótons para aquecer o alvo, romper as ligações ; moleculares ou direcionar' reações químicas. (e) Os chamados nanolasers ntostraclos na figura são discos senticoxtdutorcs de poucos ¡nícrons de diâmetro e dc frações de ntícrons de altura. Esses pequenos lasers trabalham da mesnta ¡ttaneim que os de tantanho tnaior. Explorando os efeitos quânticos que prevalecem nessa escala tnícroscópica, os nanolasers possuem grande eficiência, e estão sendo explorados conio dispositivos ultra-rápidos de troca dc pequena qtaantidadc de energia.
  33. 33. b ( › lê FtGURA 31-19 (n) Raios de luz refletindo de uma interface air-vidro tnostrando ângulos iguais de incidência e V ' reflexão. (b) Ondas uttra-sônicas planas na água refletindo de uma placa de aço. É. 'a ta* (al Fibra do vidro Conjunto dc libras de Vidro (a) (b) F [G U R A 3 l - 2 7 (a) Um tubo de luz. . A luz interna do tubo é sempre incidente em um ângulo maior que o ângulo crítico, então não escapa luz do tubo por refração. (b) A luz de um objeto é transportada por um maço dc fibras de vidro para formar uma imagem do objeto na outra extremidade do tubo. (c) Luz emergindo do um maço de fibras de vidro. (C)
  34. 34. * Laranja Verde Azul Violeta F l G U R A 3 'I - 3 O Um feixe de luz branca incidente sobre um prisma de vidro é dispersado em sims cores componentes. O índice de refração diminui conforme o comprirnenito de onda aumenta, de tal modo que comprimentos de onda mais longos (vermelho) são ¡ilenos curvados que os comprimentos de onda mais curtos (víoietai. Vermelho Amarelo n (b) É i i i Í i Í Í l u u l | l | I u n 'r (a) Nesta demonstração do Naval Research Laboratory (Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA), uma combinação de fontes laser gera diferentes cores que excítam elementos sensores de fibra raróxinnos, levando à separação da informação como indicado pela separação das cores. (b) A forma da ponta de um guia de luz é gerada por calor e desenhada em uma fibra longa e fina. As cores indicam a estrutura de diferentes composições que é mantida na fibra.
  35. 35. (b) Quando os eixos de transmissão de duas películas polarizantes são perpendiculares, os polarizadores são ditos cruzados e a luz Irão é transmitida. Entretanto, vários materiais são birrefringentes ou se tornam sob tensão. Tais ntateriais giram a direção de polarização da luz de tal modo que a Iuz de um comprimento de onda especifico é transmitida através de ambos os polarizadores. Quando um material birrefringente é visto entre dois polarizadores cruzados, informação sobre sua estrutura interna é revelada. (a) Um grão de quartzo de uma cratera resultante da queda de um meteorito. A estrutura em camadas, evidenciada pelas linhas paralelas, surge devido ao impacto do metcorito. (b) Um grão de quartzo tipicamente encontrado em rochas de sílica vulcânica. Não são vistas linhas de choque. (c) Seções finas do núcleo de gelo antártico revelam bolhas capturadas de CO2, que aparecem na cor âmbar. Esta amostra foi obtida em uma profundidade de 194 m, correspondente ao ar capturado há 1600 anos, enquanto a amostra em (d) é de uma profundidade de 56 m, correspondente ao ar capturado há 450 anos. Medidas do núcleo do gelo substituíram técnicas menos confiáveis de análise para comparar o nivel de CO¡ na atmosfera atual com aqueles existentes no passado. (e) Robert Mark, da Escola de Arquitetura de Princeton, examina ns padrões de tensão em um modelo plástico da estrutura da nave da Catedral de Chartres.
  36. 36. Capítulo 32 l ; ais “¡ (a) ---›- (b) um¡ e 5 í 5 e ê â : S» i é z : á. _Í Ê Í , z ' 5 E 1,, 5,, Éh ¡ . S a. ..~ 1:- me aee l a É' FIGURA 32-29 (a) En: cima: frentes de onda para ondas pinhas atingindo uma lente convergente. A parte central da frente de is . . . . 5: onda c mais retardada pela lente do que as partes externas, resultando em uma onda esfenca que convergc no ponto focaí F'. Embaixo: frentes de onda passando através de uma lente, mostradas por uma técnica k fotográfica chamada de gravação da luz em movimiento, que usa um laser pulsado para fazer um liolograma í ' das frentes de onda da luz. (b) Em cimn: raios para ondas planas atingindo uma lente convergente. Os raios _Í são curvados em cada superfície e convergem no ponto focal. Embaixo: uma fotografia dos raios focados por ° uma lente convergente. aa (a) f l G U R A 3 2 - 3 0 (n) Frentcs de onda para ondas planas atingindo uma lente divergente. Aqui, a parte externa da frente de onda é mais retardada que a parte central, resultando em uma onda esférica que diverge conforme se : nove para fora, como se ela tivesse vindo do ponto focal F' à esquerda da lente. (b) Raios para ondas planas atingindo a mesma lente divergente. Os raios são curvados para fora e divergem, como se eles tivessem vindo do ponto focal F'. (c) Uma fotografia dos raios passando através de uma lente divergente.
  37. 37. (a) O Olho humano do perfil. (b) O cristalino do olho é n-iantido na posição pelo músculo ciliar (mostrado aqui na parte superior esquerda), que envolve o cristalino. Quando o músculo ciliar se contrai, o cristalino tende a se clilatar. A maior curvatura do cristalino permite que o olho focalíze obfelos próximos. (c) Alguns dos 120 milhões de hastoneles e 7 ¡nilhões de cones do olho, ampliados apmximndninenle 5.000 vezes. Os bastonotes (os mais dclgados dos dois] são mais sensíveis na obscuridade, enquanto os cones são izmis sensíveis às cores. Os bastonetes e os cones forlnant a camada do fundo d: : retina c são cobertos por células iuervosas, vasos sanguíneos e células de suporto. A ¡naior parte da luz que entra nos olhos é refletida e absorvida antes de atingir os bastonetes e os cones. A ! uz que os atinge dispara impulsos elétricos ao longo das fibras dos : nervos óticos que chcgmn ao cérebro. (dl Uma rede neural usada no sistema de visão cio certos robôs. imitando pobremcntc um oilxo humano, ela contém 1920 sensores.
  38. 38. Os discos compactos (CD) atuam como redes de difração. Um hnltlgralna visto de dois ângulos diferentes. Note que diferentes partes da placa de circuitos parecem atrás : :la lente de atlmcnln colocaria em prinleirn plano.
  39. 39. ›' 41 ( m, .xggg-*gcwç ' 74-? ZfliüXí-Y¡3¡§úí§§ià23í'1í'ã%k ÊÊÉÊÉÊÉQÊ ãâ ããwàwãm ÊãâãâãWüãâãã eãawggâãâ lí ãiââiüíüñiàêaíWfeãíõiãi " ssmmawmnwmzsxsuzzzwarmawagxza . .-. .__, .,_F . .va-; fxm-eaummzgàz (Ícuggcs E' ' 'ÍCÔ (Íorncíuêzprces isokzmes ' . T3 (Ícmlomâp O Cülíigñf. ) EÊÉEÍIÍCÇ) lmhrxs cio (Íompo Eiélrico Nlozrirnezgwic) C305 Cargos Punlíformes nos Campos Eíérricos Díprafos ! Êlràrrêctos nos Campos ¡Éiétricos . wi'¡': '$?22-"' ! êt›"): 'õ'f›iá5:2'í¡9' 1. a. NXPAwb§R$âRKdíQíâàL AQ%E§K$à%ãñ5&N nqnanln há csxatarnonte um século não han/ ia mais do que Lxmas poucas lâm~ ¡ 'idas clétricezs, axttnainuexatza a humanidade está extremamente dependente 'a crketriciuíauic em sua Iicla cotidiana. ¡Ã-lmbora o uso generalizado cla eletri- cidadcaincle] seja ruccnlc, seu estudo teve uma Ionga trajetória de pesquisa antcs Lica ¡nrisncira ! ânmpaçla oléírica acesa, As observações dos fenômenos elétricos runonlenn aos ancestrais gregos, q ue nota ram que atrita ndo o âmbar ele atraía pe- íqlítànns0bj('105,C0¡11L) fragmentos de ¡nnlha ou penas. Na realidade, a palavra : fié- sn [um : um origon¡ na palavra grega que significa ânnbar, clcktmn. r- xszeamzxsaz. vazaczwmgmmzmmrzmmxmwammxsmmãmmnàsmwnmsmmísowizs: É CAPÍTULO o cosas É UM comemora. MATERIAí com PROPRIEDADES ESPECÍFICAS QUE TORNAM POSSÍVEL O TRANSPORTE DA ELEIRICEDADE. A ELETRICIDADE UTILIZADA PARA ACIONAR A5 MÁQUINAS á RESPONSÁVEL ? aos Aromos os com EM s¡ MESMOS: os ÀTOMOS SÃO MANYIDOS UNIDOS poa FORÇAS ELÉTRICAS. wa-. spamxmmuawrpsra Qua! é a carga total de todos os elétrons presentes em uma moeda de cobre? (Veia o Exemplo 21-1.)
  40. 40. Ncsle capíluln, inicia-se o estudo da eietricidade com a eletrostática, 0 @sumiu dns vargas clélricas em repouso. Após a introdução do conceito de car- _ga irfiíirica, ;malisazzi-siz brevemente os condutores c isolanles, e como os con- cíutoms podem fornecer uma carga resultante. Em seguida analisa-se a ici de (Íouíornb, que descreve a força exercida por uma carga elétrica sobre outra. Inlrnciuz-se, a seguir, o conceitu de campo elétrico, e mostra-se como ele pode ser vísualizacirx alraxzés das linhas de cam po elétrico, que indicam o : nódulo e ; z direçãn do cam po, da 131051316 forma que foi visualizado o campo de veloci- (Iacies n n «éscoanzentn de um fl uido através das linhas de corrente (Capítuio 'l 3). fíizxalmenuv, discutchse o comportamcntci das cargas puntiformes e dos dípolus nn presença de campos elétricos. ln1:'l¡3¡Íl1lÉ('[l1(' uma barra do ¡Lilzistictu seja fricciivnadzn com uma [nele e, em segu da, suespi-. nsn Lililizzancln um fin, de : modo que @la fique livre para girar. Agar. ziproxínxo Livssa barra uma sc ; unda ban-ra de plástico Fríccionaia, similarà ivriz_ mvirn. furô ; vurccbirrá que as barras se repelczm mut-Lnament- (Figura 21-'I. ).(Ó, moram» rcsulmcha será obliciu ' - fariam Lnlilizzidcis dois bas ' ât - nham sítio ~ '›'l)l': lí'_i_ll'iíl11 luiririi-Icici 'céljáldíáociaii ' di) plá; iu) fra cinnigiijg-i him) ¡Jidxiiwiei azilyastao de udro fricc¡ _ii qhjg ; aírmrjân Inlllllàlnlñilíiíf; H ' w i A' n An se alrila-it' umá befrniiv cia-í fica Ci1I'l'l'3¡*, <^IL'Ía eínztricamcznto. . Repetindn o experti- s'm: -t¡'11i› cum d ivnrrsas matcriais, vc-'ri ÍiCii-SL' cpu: : todos os corpos carregados ; andem scrr vl. a.~z. ~;il'ic. ininn: s em dois grupos »--- : acweles como o plástico ÍYÍCCÍODHCÍO com pelo u nquvlos comu n bastão c| e vidro friccinnandca com szçda. Os COFPOS do um dos ¡grupns : :o rupi-IL-¡ri crntru si, emptaiíto os Corpos do cmtro grupo se atraem mutu- amnn l v. Iàirnjamiin Franklin ex pl icon ezsse fenômeno ¡aroponcio um ¡npc! elo em que lodo corpo ¡vossui uma certa quanlídade uorimzl de eletricidade que pocjla ser b ti-«Iiizàfaàri-; lai do um vurpa para outro quamdt) os dois entram em contato, como no I e e 2 E _I Í : :axu cm cpu' sñu cutritarlus vsnlrc' Oatrilo d(- Na um corpo conjçxccsaiií 6311.59 . . . b 1 . . ç o ; ml-m com failn dl)('.1l'"¡1 na im ma quainticiadéqu ' ó excesso. l--rank 'n cics- A Serie T" °e eklcu ° sullkini' . "cima sinais silaisQánisliíiiíiw) meiioâncveitivo), cle- FIGURA 2 1 - l Duas barras dc plástico que foram friccioxradais com uma pela sc repelcm mutuamente. onadâíom (+1 Extremidade Positiva da Série mm um piaizlng N -iclc uirii_ I uma ceirga ¡içgga va de mes- Amianto ma) lllúdlilk! LlLlI'¡H1ll_'U proa m). C0¡ i base nai( nvcnção de Franklin, o p_ 'AIÍÇÉà Vidro friccínxauznlnu com inmrpe . lquire uma iÍãYgk1 110g ti Ia e a pelo fica com un_ _ __ NÚHOH _qa pmsiiiva. Dois mrpus que ¡vossucm o mcsrno tipo¡ ç c Lmga' se repclem entre M, “íhdmfa v : luis tnnrpiss que PÚHSLIG m cargas (ghost-as se alracm mutuamente (Figu ra 2'! 41). ?mm ' rata , ¡HGURA 2¡ _z Alumíníri (n) Os corpos com cargas "HPCÍ ' elétricas de sinais Ngçodão opostos se airacm. (b) Os AÇO “ " corpos com cargas PÍÓSUKTO elétricas de mesmo Sinai NÍQUG¡ O C051? -: . s! (bj se repclenz. BYOYIZL-E e mata t_ Borracha síntxílica " . F M ("h-Inn (tipo de acríiico) ' 1 r -›_'-~"" Sarau (tipo de plástico) = a. v* 'v' . . m' . Polietilcnu 'Peflon ' . íãinnluxaiuilxr. Sa| )(? -$1í' que quando o vidro alrirado com seda os elétrons são Borracha (le silicone (--] Exrremidade Negativo da Série tnznnwkuinlias do viilru para a seda. Uma Iuz que a soda é carregada negativa- mvmnr (du ; ironia mm a LÍOFIVCTIÇÕO de Fmnklin, e1ii1cln Lltilizada), os elétrons são , u nIunHâÍdL'l'.1¡. ÍUS pariícltlns agito carnwega m cargas negativ-as. A 'Fabela 21-1 é uma “f”
  41. 41. a . .. @rs-ão rosnmicízi da série triboelétrica. (Em grego, tribos significa "frícção". ) 7lh'lnl_0111ãl$l.1k'll§_( material se encoi "l nessa série, maior será sua f' içiacl _ ! T1 os elétrons. Sic do: : : lê Suinateriaxs lorê u ? nuns serão lruI15Ít: i'icli)s do mnterinal mais áólñlájíáurkivó rhíiátétial &nais abaixo _ labcln. Por exemplo, se o 'Teflon for t-'riccionadci com o náilon, os elétrons serão : Ltrnnsíceritlos do náilon para o 'Fcfloim Quantização da Carga . ›- matéria é constíttuída ¡. >(I1'át'()I110S que são eíetricamente neutros. Cada átomo ¡iossui um IIÚClOO Innciçt) cuja massa é minúscula e contém prótons e nêutrons. Os prótons ¡riossucrm carga ¡vosil-iva, enquanto os nêutrons não são cairregados. .= (planlÍdí-ulc de prótons no núcleo_ é representada pelo : iúnxero atômico Z do alt-maroto. No cn tcnrno do ¡Iúclco existe uma qtmaitidade idêntica de elétrons car- regado: : nega l ivmziente, deixandln) o átomo corn carga resultante xmla. A massa rlo vid-iron (- cerca do 2.000 Iczes mono r que a do próton e, :mesmo assim, as car- gos dessas (luas ¡nnrtíttulzis são exatamente iguais em módulo. A carga do pró- ton é r e a clo ulíêtron é "V, sendo r a chamada unidade fundamental de carga elétrica. A can-ga «Elétrica c| e um elc-'rtron ou de um próton é urna propriedade intrínseca¡ da partícula, assim como a massa e o spin. “lulas as cairgzls elétricas obscrvá veis ocorrenn na forma de um nxúltiplo in- uiro da unidade funclanwixtal de carga elétrica e; isto é, n carga é UNIR grandeza emiinazin. Qualquer carga Q ocorrcntt-r na naturcv/ .a pode ser déscrita mal-ema- IIL“¡IIIIL'I1I'('Ç: 'DI°IWK3 Q 'r', em que N é um número inteirof' Entretanto, para os rpos rm' geral N nornvilnurnte é muito grande e a carga parece ser contínua, _. › da mcslna forma que o m' tem a aparência de ser comínuo, quando se sabe que ele é thüSllllllílú (lc n1uite1s nwlciculas. Apenas a título de exemplo, o ato c| e se otrrcgzlr clutriczimtàaitc* uma barra tvlásticzi, atritnndo-el com um pedaço de pela! , lransíttra: Lima cnmnticlaclc N '-'-'-' 'I 0*" ou mais eiétrons à barra. onservação dg Carga Quando dOÍS corpos são friccionaclos entre si, um cleiesi passa à ter uma quanti- dadc crxrossívai de elétrons, ficando, portanto, carregado nega livamente; o ou- Em lira com menos elétrons, tornanclc›-se positivamente carregado. A carga re- Sultrsnlc dos dois corpos permanece constante; isto é, n cn rga cláfrícn é cortsrrvn- (ill. .. = Ici de conservação da carga elétrica é uma lei fundamental da natureza. lui do carga Clélrlü) c' (zstá relacionada ao coulomb por Em (crias inlctnçõvs entre partículas; elcmentzn-cs as partículas carregadas, como os vlÓlronS, são criadas ou destruídas. Entretanto, ¡Iesses processos uma mes~ nm quanlicíaitlu de (targa positiva @negativa é ¡aroduzida ou destruída, de modo qucn Carga UlÓÍfÊCL-'l rc-. stnltzzntc (Io universo fica inalterada. No . isa-nan ll1l'L'I'I1i1t“. Íl)I1i1l (le Lmidaác-ss uma carga é expressa em coulonxb, quo é clclinirlnv cm função da Llnícladc de corrente elétrica, 0 ampêre (A). *"" O conlomb (C) é igual à qlmnildiãtlt! de carga que passa por um condutor em um surgindo qu ; indo a Cort-exite no condutor é de um ampêre. A Lmidadtz fundamen- s = 1,602177 x 10“"-'C = 'I,6O >< 'I0"'”C 21.1 UnIEDADE FUNDAMENTAl ore CARCJA Emruiuz. _ › ¡notlolo-pac ão (lc particulas crlvmcntares, os prútol1s, os nêutrons e algumas outras particular: clcnu-ntdrcs são constituídos por partículas mais fundamentais chamadas qmzrks, qui: pnsstunr¡ cargas do : .'. ^-: '¡v ou *Lê-rn Apenas são conhécidaãas 'contbindçõés rlcssas partículas que rcsultzi m (rm cargas cio : No ou 0. "U ampbrtr (n) õ n un ¡tlaclc du corrente utilizada nos trabalhos dc eletricidade do cotidiano. 'n' colocados einuóontato, os éiL › -
  42. 42. it E x E R c i c to Uma carga de 50 nC (i nC = 'l 0' 'l C) pode ser ¡aroduziclet em labo- rató *o pelo simplvs ati-i to entre clois Corpos. Quantos elétrons deverão ser trans- lvriclos para produzir essa carga? . (Rysivusln N Q/ v (50 X 'IO '“,6 X 10'” C) 7-* 3,12 X 10W A quarttízziçãt) da tanga irão prado SCI' dctocltult-i em Lima carga ÕCSSR ordem de grandeza; tanto o crtbito prmltlzitlo pcda . icliçãtv quanto o efeito produzido pela subtração de um milhão ("iv izlcitrons são Inuilo gwequoncws, podzrsiclt) ser destarezztclos. ) LJ mn moeda de cobre (Z = 29) possui uma massa clc 3 g. Qual é a carga elétrica total de todos os elétrons da moeda? DESENVOLVIMENTO DA so LUÇÃO oo PROBLEMA Os elétrons JDOSSLIBHI uma carga total rlatia ; bolo núlnero de elétrons na IUCN-Ilê), N” VGZCS a carga de um elétron, O nunuuo c| e' vlcitrons é igual a 29 (número atômico do cobre) 'cc/ tás o mi m oro d o átomos de cobre? N. Para se Obter N, utiliza~se 0 fato de que um mol (lo qualquer substância ¡aossui um ¡iúmtero de moléculas igual ao nú- mvro du . Avogarlrc› (IVA '-2 6,02 X 103") e o número de gramas em um mol é igual à masxzi molccutan- M, que é de (13,5 g/ moí ; vara o cobre. Uma vez que cada trsolnêrrtila do Colflft' é oxalanurntv. igual a um -átomo de cobro, clctctfnüna-Stê o nú- mnio do Átnntns por grilthü CllVlfl i ndo-se NA (átomos / mol) por M (gifamas/ ntol). "l. .›' anggn total é igual ao ¡Iútlttfrtl de elétrons multiplicado Q = Nc(-c) ; vivia (íarga vlólrica riu elétron: Carga por coittato. Um pedaço de ¡alástico de aproximadantczite 0,02 : nm fo¡ carregado por contato com um pedaço de níquel. Embora o plástico fique com uma carga resultante positiva, a fotografia : mostra que cxístciu regiões com carga xiegativa (manchas escuras) e regiões com carga ¡gnsitiva (manchas claras). A fotografia foi tirada pela varredura de uma agulha carregada com espessura de íIO* m sobre .1 amostra com o registro (la força eletrostática atuante sobre ela. (Veja eitcartc cm cores. ) ã 2. O númvro cl: : elétrons é igual a Z multiplicado peão N, E ZN" tttimvro cl: : ; itomos (lc cobre N__: 6 02 x "IO" ÍIÍOJTIOS/ mol v ~ - ' . w v « - ~ -- v» . › N m 3 -7-- = 2,84 X '[033 'it »nos 3. (nluilt. o numa no dc. atomos. di. cobre em 3 g dcssL a ( 8) 63,5 g/ mo¡ t < É anctztl: g ii. Calculo o mimero cloultítrons N. : N_ = ZN = 29 etétrons/ átotttos 2,84 >< “IO” átomos i ' ( ñ = 8,24 >< 1073 elétrons ; S. Lltilizv osso valor clu N, para obter a carga total: Q E Nil-P) il E x ER CÍC I 0 5o um milhão do nltítrons iossczt) dados a cada hometn, nuilhor c criança unos listados Llnitlcis (ctrrca de 285 milhões de pessoas), que porcenta- gvm rlo tttltttvrtã ch. - olzêtnvns em uma Inoecla isao ropreseittaria? (Resposta Apro- ximxulcnnvntv35 2K 'ltl "Ú-ít) (8,24 X 1033 elétrons)(~- 1,6 >< '10' l” (Í/ elétron) , a Lu Cd¡ , '11 co¡
  43. 43. &mu; l: ilártni: : s: u. : . vi-au. :m - , ¡rev/ wavamcmvmnvismnwyxxmunwmnm&oenuxmwr Em muitos materiais, como o Cobre e outros metais, alguns elétrons podem se nauvizzieautm' livremente. [Esses materiais são chamados de condutores. Ja' em outros samterrnis. como a madeira ou o vid ro, todos os elétrons estão unidos nas¡ vizinhanças do . itonno e não podem sc mover tixrremente. Esses materiais são rltannatlos c| e isolantcs. tina um átomo de csobre, 29 elétrons estão Ltnidtus ao mieleo pela ; atração elu- írostátirn existente entre os elétrons carregados negativamente e o ¡núcleo car- rc-, çarlo t10SÍll'aInt'l'tl'L'. Os elétrons ¡itais externos são mais tracamteiute Liniclos (ln que os elétrons rurais internos, devido à maior distância entre eles e o núcleo v rluvíglt) à força rupttlslva exercida pelos Lvlétrrsns mais internos. Quando uma _t1IilI1ClL' qlltltliltlildt? c| e átomos do cobre é combinada em um corpo de cobre anelálicn, n união dos elétrons de cada átomo individual é reduzida ; nelas inte- raçñtrs com os átmnos em sua vizinhança. Um ou : :mais dos elétrons mais exter- nos : rm carla ; ítomo : não fica : nais unido, o tncsmo que ocorre quando uma mnlótrtlln Llu gais tica livre ; vara ntoxror-se no interior de uma caixa. A quantida~ ilv dr elétrons livres tzltapendcr clo ! natal em tsarticulait, porétn uma quantidade tipica éa rle nm por átomo. Um zitomo com um elétron removido ou adiciona- do, lunrlo como conserpliêneia uma czirga : tele resultante, é channado c| e íon. No cobre nwtálltjo, os íons de Cobre . São Clistàosttvs em uma rede Cristalina regular Cllêllllílclzl lttllírt'. Lim condutor é ClCÍTÊCÉIFFIGHÍG neutro se para Cada íon com uma carga ; vivsitixraa -I-r existe um elétron livre com Lima carga : Iegativa -e. A carga alótrira resultante de um condu tor pode ser atterada adicionando-se ou remo- rcnrlo-st* trlótrnns. Um condutor com carga resultante tzegatíxra possui Lim ex- mlvntcx do vlótroxns livres, enquemto um condutor com carga resultante t7ositi~ ra ¡vossui um déficit de elétrons livres. Carga por Indução . - cwmscrvaçàt) da carga é ilustrada através de um procedimento simpiczs de Car- irgatnvntt) de um (T(1I'L'lLtiOt“ chamado c| e carga por indução, Conforme mostra- (lo na Figura 21-4. Duas: csfveras c| e ¡nctal «lescarregaclas estão em contato. Quan- o? FIGUR A 2 I - 3 Iíletruscópio. Duas folhas de ouro são iigadas a uma haste condutora que possui uma esfera condutora em sua extremidade superior. As folhas são isoladas da rstrirturr¡ rlo clctroscópio. Quando descarregadas, as folhas ficam ¡acnduradas ¡uutas na diferir) vertical. Quando a Esfera entra em contato com uma barra de plástico cam-gaita ncgntivaincnte uma ¡Jartc da carga negativa da barra c' transferida para a cslcm que, através daliastc, sc move para as folhas de ouro, fazendo com que se separou¡ rlcvíclc) à repulsão elétrica entre suas cargas negativas. O corttato da esfera com um bastão de vidro carregado positivamente também causa o afastamento das fnllms. Nesse caso, n bastão dc vidro carregado positivamente atrai os elétrons da rstrra dc metal, produzindo uma carga resultante positiva nas folhas.
  44. 44. do tuna Lnirrti útlüvgíltlri é COlOCEKliI nas proximidades cie uma das esferas, os nrifttrons livrt-s tltutm d: : uma trstcra para a outra em direção à barra com carga positive¡ ou af-asianrltvst' (Io Lima barra com carga ncgaitiva. A barra com Car- ga positiva mostmcia na Figura 21-40 atrai os elétrons, c a esfera mais próxima da barra fim «vom t-iótrcnns da c-sftara mais afastada. Isso deixa a esfera ¡nais pró- xima com 111m1 carga resultante negativa e a esfera mais afastada com uma car~ ga rcstiitantt- p4'›$llÊ-'i1 dt- mvstno xralor. !Diz-so que um condutor que possui car- gas . '?t']'. 'Ii'Il(fH$ idênticas c. de sinais OPOSÊOS está polarizado. Se as esferas forem swrnn-. icins tanto: : do a barra scr rmnovicla elas ficarão com quantidades iguais de cargas opostas (l-“igttra 21-411), Resultados análogtms seriam otaticios com uma tm r ra r21;'rc_-, ;.~1t;1a t11)g; .1tÍ'ki1”t1Gl1l'C. que, ao repcclir os elétrons, faria com que eles se mtn-ttssvm da esfera 111211-5 ¡nrtâxima para a esfera mais afastada. E x E R c í C I o tônus trsfrvrns conclutrwras idênticas, Lima com carga iniciai + Q e a outra inicittlnuenitt- dcscarrogada, são coiocadas em contato. (u) Quai é o valor da aiom carga um catia uma das esferas? (b) Enquanto as esferas estão em con- tain, uma tvarra com carga : icgntixra é aproximada de uma das esferas, fazendo com quo ola fique : :mn uma carga igual a -t-ZQ. Qual sera' o valor da carga na outra vsftrra? (ih-: :iinxizi (n) -I-›. _iQ. Uma vez que as esferas são idênticas, elas dc- vosn rlistrihuii- igualnwnlçr a (tm-ga total. (i1) WQ, para atencier à condição de ronsvtwniçàti da Carga) E X E R C i c l o Duas msicrras idênticas são carregadas por indução e, em seguida, scparattas; a esfera 'I ; possui uma carga -i- Q e a esfera 2 uma carga -Q. Uma ter- ceira vsívra idôntirtzi ustá inicial mente descarregada. Sc a esfera 3 entra em con- tato mm a trzttorn i o so. a tasla l? , em seguida, entra em contato com a esfera 2 e é bCPiWíltltl, 111ml sua a mrga fina¡ em cada uma das três esferas? (Resposta Q¡ = 'i CP/ íf/ Q.; “Q/ *k Q¡ “Q/4) Feira muitas atplicaçotrs, 21 'Terra ¡aodcS01'c0115ic1c1'e1cla um condutor infinita- mcntt' grrinnilt' rom suprimento abundante de carga livre. Se um condutor' for fünCtÍicltlt) 21 'lbrrtL relcsvrá (ronsiciotzaclo "alertado" (inciicado csquelnaticamente na l-'igura 2h51¡ pm' um cabo do ttonexño terminzindo em um conjunto delinhas horizotltnis paralelas). A Figura 21 -5 : nostra como é possível induzir uma carga um um L"t'›11(lt1i01'p0le1 lransfclxãnciel de carga da 'terra através do fio terra e, em seguida, t'(¡I!1|')CI1Cl0 a conoxão à Ílbirra. uvnvrsiaawaxz/ »zsauzz-»Lncx: :aum-mantran : szmawmsguzszzcgrznx ozamx~zarmrzuaixrxaxtvzn (Íhn rios (ÍÍotrlomb ( l 736- loilh) estudou a força exercida por uma Carga sobre outra utilimnttnv uma balança do torção de sua própria invenção¡ No cxperizncnto l Símbolo de . alorratnunln o expor¡ monta¡ do (Íonlomh foi basicazncnte o 111951110 descrito para o experi- mcnio (l(' (Íaxroiul ish no (Íapítilio 'l i, com as massas siabsiituídas por pequenas esferas car- 1'r-¡. ;¡1clas. (ÍÍoni as targets ciólrícas iarílnionlo transfcritias por atrito, a atração gravitacional vntrv as vsivras t* in$lg11liÍI3ctllll'S(-' Colnpuracia com a atração ou repulsão elétrica entre elas. (a) (b) (b) (c) F I G URA 2 l - 4 Carga por indução. (n) Os condutores em contato ficam carregados ¡vositívamentc quando uma barra carregada atrai os elétrons para a esfera da esquerda. th] Sc as esferas forem separadas antes de a barra ser removida, elas manterão sims cargas iguais e opostas. tr) Quando a barra c' removida c as csferas afastadas, a distribuição da carga cm cada esfera fica u niformc. F I G U R A 2 1 - s lndrtção através do aterramento. (u) A carga livre cm uma esfera condutora é poinrizada por uma lvarra carregada positivamente, que atrai as cargas negativas na esfera. (b) Quando o condutora' aterrado através de sua conexão com um fio a um condutor muito grande, como, por exemplo, a 'Ferrer os elétrons da 'terra ziculralizam a carga positiva, deixando o condutor' com excesso de carga negativa. (t) A carga negativa permanece se a conexão à Terra for inieri-onlpida antes dc a barra scr removida. (d) Após a barra ser removida, a esfera possuirá uma carga negativa tmiforme. (d)
  45. 45. 15., a - u, ... O pára-raias desse ; Médio é aterrado, de Mulheres ua moda : usam chapéus com muda que ; ande conduz¡ r os elétrons do correntes ¡nctálicas que se arrastam até o saio para as nuvens com ca rg: : positiva, solo, &uposkannenle para protegê-! as dos ; montraIiznnldn-as. raios. do Cntzlnrnlv, as nrsíoras ctarregaclas eram lnuíto merlores do que a distância (m- írr rins, (iv nmdn que as cargas ; nociiamn ser consideradas como puntifornnes. (Íuulunxuh 115m1¡ o mélndr) de (ínrrrtgaunutntr) por indução ; Jara pmdLlZir esferas aurrng-aciazs i_L; uaÍn1u. ~n1l(: @para va riar a quantidade dccargaa ms esferas. Por erxcm~ pio. inirinnrln mm uma carga 1190111 cada ea» em ele pôde reduzir a carga para gq. , . ¡lv›'rando ! Lrrngnnrnlúarnonto uma esfera ; Jara clcscarregzí-la e, em seguida, cnêucancto as (luas. esferas em (TOPÂHÊCI. Os resulte-icms. dos experilne. nt()s cio (Ímelnlnlã r de outros PCSQLIÍSHCÍOPOS são resunnidos na lei de Cotllmnb: ¡ fm' 1a exercida mr uma em' 'a Lmtifornne sobre outra atua na dire ão k I 1.a da Íinha rem r ue aassa nelas ea r vas, 151a varia ínversannente com o E I I 3a quadrado da distância¡ de : :cpa ração das cargas e é proporcional ao pruduln¡ das cargas. A força será repuísiva se cargas possuírem sinais iciônticos e au-rativa se tivenznm sinais opostos. ' ÓUEC N61?? 0 : aaíxiula: :ln força elétrica @xau-cida pm' uma carga q, sobre outra q, a uma dis- tância r ó, ¡nnrlnnkn expresso por N T lx) xmdu R' é u me! (tonslanltê c| eEc: 'n1inarla cxperilnerltalInente chanrada constante de (Íoult) m b, cujo valor ó L- &00 x m** Num/ cf? 21-3 N. , ~-› -. . '“' . Svq, está em uma ¡nosíçãca r. (21139111 : a (I-rguara 21-6), a força I§_3c2xerc1L1apL)¡'q¡ sobre q: pnxle ser expressa como n MÍNÍ: A 'L2 › ' "L2 21d! 1.a¡ rs: : Ccm. ;¡<;7:u, ua PMA A Fcvrm Exercuox. rc: : c). seu' FI G U R A 2 'l - 6 Posicíouannenín da carga q, na ¡sosição 'ii e da carga 11,611¡ i? , rclalivxauxezxleà origem O. A força exercida ¡mrrh 501m2 q, estará no sentido do veinr ii, = - se as cargas tiverem (1 mesmo sinal, e na sentido oposto se tiverem sinais opnslos.
  46. 46. i¡ . r'. u relor (wríent-aclc) de q, ;nara q¡ e Fu 'Tu/ rm é um vetor Lillllárlt) tunxlyóixi ciriexitacio c| e q¡ para q, Pela lvrnreirt) lei dáz' Newton, a força &xercída por q; sobre q¡ é a negativa de IÍ_; ._. Olvserve n semelhança (mu-e a lei de Cortlomb e a lei da gravitaçãc) de Neil-don. (Veja a lÉcpx-açño I 'i -3.) Ambas repiresentanl forças proporcionais ao in- verso do rpaacirzxck) de uma ciistânciex. Todavia, a força gravitacional entre duas mrliclilns c: propnrntional às Inassas das partículas e é sempre de atração. en' quanto a força elétrica prr›poi'cic›i1'al às cargas das partículas e é repulsiva, se as cargas tivercuxa o 1111251110 sinal, e de atração, se tiverem sinais opostos. Em um átomo dc- hidrogênio, o elétron é separado do próton por uma distâ u- cia ¡nédia de aproximadamente 5,3 X 10'" m. Calcule o ntódulo da força ele» trostáííca de atração exercida pelo próton sobre o elétron. DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO DO PROBLEMA Substiluai es: valores feriu-ciclos na expressãe da lei de F '- ,2 i 2 É (Ínulcimlü: N OTA s (Ímzipetraxaíam mm as interações macroscópicas, erssa força é muito pe- cgtnena. iínlnvtarmo, uma vez que a : nossa do elétron de apenas cerca de 10"” kg, 05551 força ¡nrnclttz uma zicelemção muito alta de F/ m = 8 X 3022111/53. E X E RC Í C l o Duas cargas puntif0rn1es de 0,05 ; LC Cada são separadas por uma Llíslânciai rle '10 cm. lÍkrtersnirne. o n1óclLtlL› cia força erxcrrcicla por uma das Cargas ¡vunlifornuvs sobre a outra. (Resposln 2,25 >< 10'** N) Uma v-ey. awe a rnrça elétrica e a força graxrítacional entre quaísquerdtaas par- iiculms variam ¡nversannenírz com o quadrado da distância de separação entre el- , n relação 01H11? essas forças é inclepezmdcinte da separação. .Pode-se, portan- ln, crnmpnraa r os valores rins forças OlÕÍFÍCO e gravitacional para as particulas ele- menlnrtss, coma um elúlrnn e um plütnõn. Calcule a relação entre n força elétrica c a força gravitacional exercidas por um pzfólon sobre um elétron em um átomo de hidrogênio. DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO DO PROBLEMA Utiliza-sealeídc-: Cott- Iomb com q¡ : r o e q: -- -e para (mbter a força elétrica, e a ie¡ da gravitação de Neurton com a massa do próton, m? = 1,67 >< 10"” kg e a massa do elétron, m, = 9,11 >< IO ~" kg. i1. lixpresscr os ¡nõclnzltvs da força elétrica F, e da força gJ'avita'ciona'l'F5›'e'hi fun~ as, da distância de separação e das constantes gravi- Ção Lins cargas, das Inas tacimml e elétrica: 2. Represente: n relação entre as forças. Note que a distância de separação é cau- celaçla na relação: (8,99 x '10'-'El-n13)('l,6 >< 10"'”C)3 (SS-X 10"” m)3 u. L. r. :- -í~3~'~. 'u'uf.1?fñb'f. à'xtc'xhflibñmivfnvxzazu. . ~ : - -Jzvswvtxxz-&nazvrxrzrxzwcvmmr m**MSW-'tãfrrzwxímâttzwvnzsu-&mmxrxw
  47. 47. O Ccunpo Elétrico t: í , _ . ' _ r _ _ , v. __ 1" (8,99 >< 30° N-mz/ Czxlb 'X l0“ WCF . a. Substiltsa os. Vdlülcb numcancos. . I . › _vv F (6,67 >< 10'" N-in2/kg1)(1,67 X 10"” kg)(9,1i >< 10 “l k NOTAS [Esse resultado : nostr-a por que os efeitos da gravidade não são consi- derados na ctisctussão das interações atômicas ou tnoleculares. ll lÉmbora a força grcn-'itacioneil seja extremamente fraca quando comparada com ; i força elétrica e não apresente qualquer influência perceptível nonível atô- tnirn, ela a: a força Llülhlllílnlü entre os corpos de girando massa, como os plane- tas u . is. estrelas. Pelo lato c| e esses corpos ¡uossuírenn quase a mesma quantida- (ie ele cargas positivas e aiegzitivas, as forças elétricas atrativas e repulsixras se (.1ncol.11'n. ¡ força resul tante entre os corpos astronômicos é, portanto, quase que oxclzisivamcrntn: a força de atração gravitacional. Força Exercida por um Sistema de Cargas Em um sistema c| e cargas, cada carga exerce sobre todas as demais cargas uma força que ; norte ser calculada) tutela Equação 21-4. A força resultante sobre quat- __ quer carga é o vetor soma das forças exercidas individualmente sobre aquela carga por lorlns as demais cargas ¡Jreseittes no sistema. Essa conclusão é uma cnnsvqtiênria do princípio cln superposição das forças. Tente resolver este exemplo sozinho 'três cargas puntiformes estão apoiadas sobre o eixo x; q, está na origem, q¡ está na ¡Josição . r = 2 m e q. , esta cm uma posição x arbitrária (x > 2 m). (al Dclvrniine : :força resultante sobre qo devida a q¡ c q¡ sc q¡ r- +2S nC, q, = -'I(l nC e . r = 3,5 m (Figura 21-7). (b) Obtenha uma expressão para a força resultante sobre qn devida a q, e q: na região 2 in <í x < x (Figura 21-8). DLSENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO oo PROBLEMA Aforça i/ ,m FIGURA 21-7 resultante _aoiare tir. é o vetor soma da força 111," exercida por q¡ e da íorçn 15;. , exercida por qi. As forças individuais são obtidas . mmn-xmwuvmwmmrmmqmmwmewuvwmquummmmamuu-pm iztiliznnclts a lei de Coulomb. Note que 11,, = PM = Í, uma vez que ' tanto il» quanto flw (estão com a orientação A' positiva. m-ó_ ---------------- -_- , I'll 1 2 3 4 (Íubra a coiuna da Liireita e tente resolver n exemplo por seu Q1=~t25axC 'lu = *Zmlc própiici esforço, antes deollxar as respostas. ' Etapas V 'l - Respostas _ _ _ lj, U1 . (it) l. Desenhe um esquenta do sistema do cargas. Indique as ' g distâncias rm e rw. . . . l ' ~--~. .i-. ___ una¡ __ _Mú ' . . _ . b FIGURA 21-8
  48. 48. 2. lÃ)c›l: ,~i'111iiica força 17”, çlevida a 11,. 3. Dclcrriníllea força li. ; clexrida a ql. ii. (Íombinnt seus rcsuliaclus para obter a força resultante. ' . Obtenha uma exprcssãi) para a força devida a th. . (Jbliuilia uma expressão para a força devida a qz. 3. Combine seus rcsullazdos para obter uma expressão para a força rcsultamlar. N OTA S A Figura 21-5) mostrei a c<)i11p(›nv;1l'O. 'da força F_ sobre q" em limçzii) da ¡vosiçâo . r c| e q" na mgiãn 2 m <Í _Y < 09. Nas proximidades de 113.11 Foi-ça: duvida a essa cazrga çlaamina e, como cargas (upostas se atraem, a Ibrça sobrc q: ó iurionlarlai no sentido ziegat : vo da direção x. Para x > >2 m, a lorça¡ ; masa a iva' o sentido ¡aosilix-'o (la direção .12 Essa C011diçã0 5o um r-isiuma ClL' Ck1I'; ,;. S dove ¡wormann-cel' vstacionáiàio, então deve haver outras'. Forças ; ilunnles sobre as cargas de nxsoclo que a força resuitante de rodas as fumam . xl imntvs sobre cada (tai-ga seja nula. No exemplo animal-ici', @naqueles que sv soguvm, ?Kllhllíl mu? Oxístnln ! forças atuantes de modo que todas as cai'- gíiñ PCFIÍTcWIWKTÇnIIÍÍ CSiÕCÍKJFICiFÍiTS. A carga q¡ f: +25 nC está na origem, a carga q: = -15 1'IC esiá sobre o eixo x em x = 2 m e a carga q. , = +20 nC está posicionada em um ponto com as coor- denadas . T = 2 m e y = 2 m, conforme mostrado na Figura 21-10. Determine o . › móclxilo, a direção c o sentido cia força resultante sobre qu. DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO no PROBLEMA A força resultante . é (ubtida pela soma vetorial das forças individuais exercidas por cada carga so- bre qn. CÍalcuIa-sia mui. ) força a partir da lei de Couiomb, representandoa em' função do SUAS componentes retangularcs. A Figura 21-100 mostra a força re- sultante* sobre n carga qm--como o vetor soma das forças Ên devida a q¡ e devida a rh. A [Figura 21-101; mostra a força resultante da Figura 21-111 e suas COUIPOI1CIIÍQS . T e y. . .__. .., ,.. ... ... ._. _.. _.. ..~. . . w 139%. lãibliotcca "Prof. José Sterólíilü' . .. .m-mwí. .. (locnrrv do lato do quc para valores altos ci: : x a distância entre q¡ c q, 4). ' clcspi'iv. í'vl, di' mmlr) que a força devida E15 duas cargas é quase a mos- n 1 mu currespnnxlonl-v . l uma carga Linice¡ do +15 nC. _ “" A _os EXERCICIO SU q” csiivvr nn posição . r = = 1 m, determine (n) rw, (b) if. , o (v) a força Tüñliliiinií* &illtalllü em (7|| A (Resposta (n) FH, = i, (b) "W-ll ; ›, ;-, . « 7 7 ' n.7,. l n. (r) ((a, _9_¡. LN)¡) _URL_ Êw----------: -J~ §-. ... ... ... ~._. . ... ... ... .._. ... ... . __ . ..____ , .y. ... _.. ... . . ~.. ~.. ... .. _. ... ..__. . "JN FIGURA 21-9
  49. 49. O Campo Elétrico l: Dxslriinuucães DISCIEElQS dr, - (Ímpgycvo Í 'I if _a - . . P' : í " -' . . Em! :: suma 21-10 f¡ a g. a à* 2 i 9 . . g_ , m L_ -_ 3,97 xhln» N â": à¡ a' s. : r *l o › . »_ , ii A', m V . ... ... ... ... .. i q, rg, ~2 77 x w 7 N (a) (b) 1 . Dcsunuhc os (FÍXOS coordenados mostrando as posições fã (las lrõs cargas. fvlostre a força resultante sobre a cm'- ga q. . como o vetor soma das forças Fm devida a q, e : I -z . i1., :havida a ih. l'~ 2. A força resultante 2P sobre que igual a soma 'dg forças individuais: › ' ' “ . ., _ _ _ _ Iriqgyn] . y, A força 1,. . e direcionada ao longo da linha que une Fm = _T3- . , . , . 1,0 q¡aq, ,.Ul1|1'/ ,Lê ru_ . -.-. ›. 2¡i2 pama distancia entre q, eqn q a 7 F (JC 7 “q lãara calcular seu nmóduio: = (839 X 10' Ninr/ Cüib X m (ZX/ Í m)3 a 5,52 >< 104m -› 5x2 ><1(J"'7N . . . . Uma vez que E. , fa? , um ângulo de 45° com os eixos Fu" = Fm" = Em cos45° = ---- v? ------- ~ 3,97 >< 10 " N x c y, suas com prmêh les ¡xessas direções são iguais: -- kqzqo A força _lilo exercida por q, sobre qu é de 'atração e no Fm = rz ? w sumido negativo do eixo y, Conforlne mostrado na u' Fiazura 21-10": _ (8,99 >< 1o** N-numz/ CZN-IS X 10"” CME? 7:* JB. QÍ, .E›Ç> (2 m)3 = (-4,74 x 'J0""'. N)f ml_ + i'm, = (3,97 x 10-7 N) + o = 3,97 x. 10-** N rL-Og-a' Em = (3,97 x I0"7N) -a- (›--5,74 x 1o* N) V -2,77' x 10-7 N = _r . Calcule as componentes da força resultante: , EF '. Desenho a força resultante em relação às suas duas v i componentes: L Oumãdwulucla¡ força resultanteú(›btid0a partirdestlas F = + Fu = / (3,97 X 10'” NP +W( "i0" NP COJIXPOITGIÍÍGSÍ . = 4,84 >< 10--7 N . A força resultante é orientada para a direita e para baixo, cunfonnc mostrado na Figura 21-10b, e faz um ângulo 0 com o eixo . t, que pode ser calculado como: _É EXERCÍCIO lÍ-lxprcssc o retor àv. , do Exemplo 2I~5 em função de ie [Ras- 5 ! W544i É. .. -* (í 'l' j)/ v*? -'|

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