Exercícios !

Nessa postagem serão colocados exercícios sobre os nossos assuntos tratados no blog.

Dia: 31/03/08
Assunto: Carga elétrica

Exercícios:

01. Determine a quantidade de carga elétrica associada a 500 elétrons.

Dia: 31/03/08
Assunto: Luz

01. Qual é a dimensão do ano-luz?

02. (Fuvest-SP) Admita que o Sol subtamente "morresse", ou seja, sua luz deixasse de ser emitida. Vinte e quatro horas depois esse evento, um eventual sobrevivente, olhando para o céu sem nuvens, veria:

a) a Lua e as estrelas
b) somente a Lua
c) uma completa escuridão
d) somente as estrelas
e) somente os planetas do sistema solar

Albert Einstein

Físico alemão Albert Einstein que radicou-se nos EUA é considerado um dos maiores gênios científicos de todos os tempos. Nasceu em Ulm, mas viveu em Munique e na Suíça. Em 1900, formou-se na Escola Politécnica de Zurique. Cinco anos depois, formulou a Teoria da Relatividade Restrita e passou a publicar artigos sobre Física teórica. Em 1909, tornou-se professor da Universidade de Zurique e, em 1914, pesquisador do Instituto de Física Kaiser Guilherme, em Berlim. Um ano depois enuncia a Teoria Geral da Relatividade, que apresenta uma nova visão dos fenômenos gravitacionais. Em 1921, recebe o Prêmio Nobel de Física. Com a chegada de Hitler ao poder, é obrigado a fugir do país. Vai para os EUA e ganha cidadania norte-americana em 1940. Suas teorias permitem a construção da primeira bomba atômica . Após as explosões no Japão, no final da 2ª Guerra Mundial (1939-1945), defende a fiscalização do uso da energia atômica e luta pelo pacifismo. Diante dos avanços de outros cientistas, acredita que sua teoria está errada por pressupor que o Universo é estático. Nos anos 80, pesquisadores provam que as teorias da relatividade são compatíveis com o modelo de Universo em expansão.

A Luz

A luz é ma forma de energia que se propaga nos meios materiais e também no vácuo. A luz emitida pelo sol chega a nós em 8 minutos e 20 segundos, percorrendo 150 milhões de quilômetros a uma velocidade de 300 mil quilômetros por segundo.

A grandeza 1 ano-luz corresponde a distância percorrida pela luz durante um ano, no vácuo. Para tranformarmos 1 ano-luz em quilômetros, devemos multiplicar a velocidade da luz no vácuo (300 000 km/s), pelo intervalo de tempo de 1 ano que, em segundos, corresponde a 31500000 s. Assim temos: 1 ano-luz = 9500000000000 km.

A luz emitida pelo Sol é branca, uma luz policromática (várias cores) que pode ser decomposta em luzes monocromáticas (uma só cor). As luzes monocromáticas principais que compõe a luz branca são sete: vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta. Para observarmos a decomposição da luz branca em suas cores componentes principais, basta fazermos a luz solar incidir sobre um prisma ou sobre gotículas de água (arco-íris).

Cada cor possui uma energia diferente, e a energia aumenta da cor vermelha para a violeta, mas todas as cores propagam-se no vácuo com a mesma velocidade: 300 000 km/s.

Nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. Para representarmos a propagação retilínea da luz utilizamos os raios de luz que são linhas orientadas que representam a direção e o sentido de propagação da luz. O conjunto de raios de luz constitiu em feixe de luz. Assim, podemos ter feixe de luz constituído por raios paralelos, convergentes ou divergentes. Com base no conceito de raio de luz, podemos representaros três fenômenos luminosos básicos: reflexão, refração e absorção.

A reflexão regular é obtida quando a luz incide sobre superfícies totalmente polidas, como no caso dos espelhos. E a reflexão difusa é obtida em superfícies ásperas, como no caso de uma parede pintada de branco.

Meios ópticos:

Um meio é dito opaco quando a luz praticamente não se propaga nele. Exemplos: madeira e metais. Diz-se translúcido quando a luz se propaga. E, diz-se transparente quando a luz se propaga a grandes distâncias e segue trajetórias previsíveis e bem determinadas. Note que, por exemplo, a água, pode ser considerada transparente se a espessura da camada de água permitir a passagem de luz nas condições descritas acima, e pode ser considerada opaca se a espessura da camada de água for considerável, como no caso dos oceanos.

Formação de imagens no espelho plano:

Consideramos um objeto real situado diante de um espelho plano, conforme ilustra a figura a seguir:

A luz emitida pelo objeto sobre reflexão no espelho e atinge os olhos do observador, que tem a impressão de que a luz vem de trás do espelho.

Carga Elétrica

A matéria é formada por átomos, que por sua vez são constituídos por um pequeno núcleo central e por uma eletrosfera.

O núcleo é a parte central do átomo, em que se localiza praticamente toda a massa do átomo e onde encontramos várias partículas, das quais, do ponto de vista da eletricidade, destacamos duas: prótons e nêutrons.

. Prótons: partículas que apresentam a propriedade denominada carga elétrica, ou seja, trocam entre si, ou com outras partículas ações elétricas de atração ou repulsão. Os prótons são partículas portadoras de carga elétrica positiva.

. Nêutrons: partículas que apresentam carga elétrica nula, ou seja, não trocam ações elétricas de atração ou de repulsão.

A eletrosfera é uma região do espaço em torno do núcleo onde gravitam partículas menores, denominadas elétrons. Os elétrons possuem massa desprezível quando comparada a dos prótons ou dos neutrôns. Os életrons são portadores de carga elétrica negativa.

Quantidade de carga elétrica :

Aos corpos, ou as partículas, que apresentam a prorpiedade denominada carga elétrica, podemos associar uma grandeza escalar denominada quantidade de carga elétrica, representada pelas letras Q ou q.

A quantidade de carga elétrica positiva do próton e a quantidade de carga elétrica negativa do elétron são iguais em valor absoluto, e correspondem a menor quantidade de carga elétrica encontrada na natureza, até os dias atuais. Essa quantidade é representada pela letra e e é chamada de quantidade de carga elétrica elementar.

Em 1909, a quantidade de carga elétrica elementar foi determinada experimentalmente por Millikan. O valor obtido foi: e = 0,00000000000000000016 C .

Nessas condições, podemos escrever as quantidades de carga elétrica do próton e do elétron como sendo: q = +e = +0,00000000000000000016 C

Q = -e = -0,00000000000000000016 C

Para o nêutron temos: q = 0

Teoria da Relatividade revolucionou o a Física do seculo X X

Teorias propostas pelo físico Albert Einstein (1879-1955) que revolucionaram a Física no século XX. As duas teorias – da Relatividade Restrita e da Relatividade Geral – trouxeram a noção de que não há movimentos absolutos no Universo, apenas relativos. Para Einstein, o Universo não é plano como na geometria euclidiana, nem o tempo é absoluto, mas ambos se combinam em um espaço-tempo curvo. Enquanto para a geometria clássica a menor distância entre dois pontos é a reta, na teoria de Einstein é a linha curva.

Na verdade, as duas teorias são uma só, mas foram apresentadas por Einstein em momentos diferentes. A Teoria da Relatividade Restrita é proposta em 26 de setembro de 1905. Através dela são postulados o princípio da relatividade – isto é, que as leis físicas são as mesmas em todos os sistemas de referência inerciais – e o princípio da constância da luz. De acordo com a Relatividade Restrita, se dois sistemas se movem de modo uniforme em relação um ao outro, é impossível determinar algo sobre seu movimento, a não ser que ele é relativo. Isso se deve ao fato de a velocidade da luz no vácuo ser constante, sem depender da velocidade de sua fonte ou de quem observa.

Com isso verifica-se que massa e energia são intercambiáveis – o que resultou na equação mais famosa do século: E = mc² (energia, "E", é igual à massa, "m", multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz, "c²"). Um dos empregos dessa fórmula é na energia nuclear, seja em reatores para produzir eletricidade, seja em armas nucleares. Uma massa pequena de urânio ou plutônio, de alguns quilos, basta para produzir uma bomba capaz de destruir uma cidade, pois a quantidade "E" equivale a "m" multiplicado por 300 mil km/s.

Também se depreendem da Relatividade Restrita fenômenos que o senso comum duvida: para um observador parado, um relógio em movimento parece andar mais devagar do que um relógio estacionário, ou a massa de um objeto aumentar com sua velocidade. A Teoria da Relatividade Geral, de 1916, amplia os conceitos a outros sistemas, como os sistemas de referência acelerados, e às interações gravitacionais entre a matéria. Einstein explica essas interações como resultado da influência dos corpos – como os planetas – na geometria do espaço-tempo curvo (um espaço de quatro dimensões, sendo a quarta, o tempo).

Dito de maneira simples: qualquer elétron em movimento ou quaquer objeto em movimento passa a ter massa maior quando se desloca em relação a um observador do que quando se encontra em repouso relativamente a esse mesmo observador. Na medida em que a velocidade desse objeto se aproxima da velocidade da luz , sua massa se torna infinita.

Um dos mais significativos aspectos do trabalho de Albert Einstein foi o de dar natural unidade aos conceitos de eletricidade e magnetismo. Essa unificação está presente nas equações de Maxwell, mas a teoria da relatividade proporciona maneira nova de encará-la. Einstein demonstra que uma vez em movimento o elétron, a força elétrica se altera e, a par disso, o elétron passa a gerar força magnética. Em ouras palavras, a eletricidade e o magnetimo são, em essência, o mesmo fenômeno, e o aspecto que recebe realce depende da velocidade do observador relativamente ao elétron.

Descoberta dos raios X

Em 1895, o físico Wilhelm Konrad Roentgen, estudando descargas elétricas em gases rarefeitos e ampolas de Crookes, por acaso descobriu os raios X. Ele tinha uma ampola de Crookes encerrada em uma caixa de papelão, e alimentada por uma bobina de Rumkhorff. Com o conjunto em um quarto escuro, êle observou que, quando o tubo funcionava, se produzia fluorencência num cartão pintado com platino-cianureto de bário. A fluorescência era observada quer estivesse voltada para o tubo a face do cartão pintada com platino cianureto de bário, quer a face oposta, e até com êste cartão afastado a dois metros do tubo.

A fluorescência não era causada pelos raios catódicos, pois êstes não atravessam o vidro do tubo. Roentgen observou a seguir que o agente causador da fluorescência se originava na parede do tubo de Crookes, no ponto onde os raios catódicos encontravam essa parede. Não sabendo do que se tratava, Roentgen chamou raio X a êsse agente.

Tubos de raios X

Raios X são produzidos todas as vezes que elétrons encontram um obstáculo. Na experiência de Roentgen, êles eram produzidos quando os elétrons encontravam a parede do tubo. Há dois tipos de tubos de raios X em uso.

1º - Tubos a gás

Possuem gás à pressão de mais ou menos 0,001 mm Hg. O tubo é esférico, e além do catodo C e do anodo A, possui um terceiro eletrodo B, chamado alvo, colocado no centro da esfera. O alvo B está ligado ao anodo A, de maneira que ficam

ao mesmo potencial. Êste alvo combinado com o anodo, produz um campo elétrico que encurva a trajetória dos elétrons e faz que a maioria dos elétrons encontre o alvo perpendicularmente. A diferença de potencial entre o catodo e o anodo nestes tubos é de 30.000 a 50.000 volts.

Resumo

Os elétrons saem do catodo, chocam-se com o alvo, e nesse choque se produz raios X.

A figura abaixo é fotografia de um desses tubos; o diâmetro da esfera é de um palmo, aproximadamente.

2º - Tubo Coolidge

Neste tubo é feito o melhor vácuo possível. O catodo é aquecido por uma corrente elétrica fornecida por um gerador P. Assim aquecido êle emite muito maior quantid

ade de elétrons, como estudaremos no tópico "A Emissão dos Elétrons por Corpos Aquecidos, ou Efeito Edison" (efeito Edison). Não possui o alvo B, pois o próprio anodo atua como alvo e emite os raios X. A diferença de potencial entre o catodo e o anodo, fornecida pelo gerad

or G, nestes tubos pode ser desde 100.000 até 1.000.000 de volts

Propriedade dos raios X

1. Sendo ondas eletromagnéticas, os raios X possuem todas as propriedades gerais dessas ondas, que o leitor já conhece para o caso da luz: sofrem reflexão, refração, interferência, difração, polarização.
2. Propagam-se em linha reta, com velocidade igual à da luz.
3. Tornam fluorescentes muitos corpos sobre os quais incidem, como por exemplo, platino cianureto de bário (e por esta propriedade que permitiu sua descoberta).
4. Provocam ação química em certas substâncias. Por exemplo, impressionam chapas fotográficas. Esta propriedade é muito mais intensa nos raios X que na luz, porque, como êles têm menor comprimento de onda, têm maior energia que a luz. Êles impressionam chapas fotográficas mesmo quando elas estão protegidas por superfícies que a luz não atravessa, como por exemplo, caixas de papelão, ou papel preto, etc..
5. Atravessam grandes espessuras de materiais. A facilidade maior ou menor com que os raios X atravessam as substâncias depende do comprimento de onda dos raios X, da espessura da substância e do seu peso atômico. Os raios X de menor comprimento de onda, da ordem de 0,01A, têm maior facilidade para penetrar nos corpos: são chamados raios X duros. Os de maior comprimento de onda, da ordem de 1A, penetram menos nos corpos: são chamados raios X moles. Atravessam com grande facilidade as substâncias de pequeno peso atômico, como por exemplo, os elementos fundamentais dos corpos orgânicos, carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. As substâncias pesadas são dificilmente atravessadas. Assim, o chumbo é usado frequentemente para barrar os raios X.
6. Ionizam as moléculas dos gases por onde passam, isto é, arrancam elétrons dessas moléculas.
7. Como são ondas eletromagnéticas, e, portanto, não têm carga elétrica, não são desviados por campo elétrico, nem por campo magnético.
8. Os raios X são usados em medicina para radiografias e para cura de certos tumores e certas moléstias de pele.

A radiografia é uma fotografia tirada com raios X, em vez de ser tirada com luz.

Os raios X podem exercer, sobre os tecidos, ações benéficas ou maléficas, conforme a dose com que são absorvidos. Assim como curam, também podem produzir doenças, como por exemplo, a doença de pele chamada radiodermite, muito perigosa porque pode se transformar em câncer.

Está provado que existe uma dose de raios X máxima que cada pessoa pode receber por semana. Qualquer pessoa pode ser submetida à doses compreendidas nesse limite máximo, sem perigo. Um fato perigosíssimo, que se nota na quase totalidade dos hospitais e consultórios médicos que fazem aplicações de raios X, é que os médicos e técnicos que trabalham com os aparelhos de raios X não controlam as doses que êles mesmos recebem enquanto trabalham. Pois, assim como a luz que incide numa parede e se espalha por todas as as direções, o

s raios X também se espalham quando encontram um obstáculo. Por causa disso, quando um técnico está manuseando o aparelho de raios X para fazer aplicação em outra pessoa, êle também recebe certa dose de raios X que foi espalhado. Êsses técnicos trabalham várias horas por dia, todos os dias, recebendo raios X, e quando não são controlados, suas vidas correm perigo. Embora êles se protejam com avental e luvas de chumbo, e óculos com vidro à base de chumbo, sempre recebem alguma dose.

Aplicações dos raios X

Todos conhecem as aplicações dos raios X na medicina, em radiografias e curas de certas moléstias. Mas êles têm muitas aplicações na técnica e na pesquisa em Física. Eles muito contribuíram para o conhecimento da estrutura da matéria. Por meio de raios X se conseguiu provar a estrutura reticular dos cristais. Em Mineralogia, a aplicação dos raios X é tão intensa que foi criada dentro dela, uma especialização chamada “Ótica Cristalográfica”, que trata das propriedades dos cristais reveladas por raios X.

Edison descobriu que os corpos aquecidos emitem elétrons. Esse fenômeno é chamado efeito Edison, ou emissão termoiônica.

A emissão termoiônica é mais intensa se o corpo estiver no vácuo.

Para demonstrar o fenômeno, Edison realizou a seguinte experiência: adaptou duas placas metálicas A e B próximas em uma ampola de vidro e fez o vácuo na ampola. Depois ligou as placas metálicas para fora da ampola, intercalando um galvanômetro G entre elas. Observou que, quando uma das placas, por exemplo A, era aquecida, o galvanômetro acusava a passagem de uma corrente elétrica. Isso porque a placa aquecida expelia elétrons que, atingindo a placa B depois circulavam pelo condutor, passando pelo galvanômetro.

Válvulas eletrônicas

As válvulas eletrônicas, usadas nos rádios, baseiam-se no efeito Edison. Nessas válvulas existe uma placa metálica P, e um filamento metálico F que é aquecido por meio de uma corrente elétrica (não desenhamos o circuito dessa corrente na figura a seguir para não complicá-la). Para acelerarmos a passagem dos elétrons entre F e P, ligamos F ao polo negativo de um gerador e P ao polo positivo. Desse modo, os elétrons ao serem emitidos por F são imediatamente atraídos para P, e obtemos uma corrente elétrica mais forte.

Como são evitados alguns perigos da eletricidade estática

Nas tecelagens e nas fábricas de papel onde o papel é fabricado em rolos (como papel de jornal), quando o tecido ou o papel passa ao redor de rolos metálicos se gera carga elétrica. Essa carga pode produzir faíscas, que dão lugar a incêndios. Para evitar isso, se umedece o ar, nesses lugares, de maneira que se formam filmes de umidade sobre as superfícies, filmes esses que vão retirando as cargas elétricas.Quando a gasolina é transportada em caminhões, o chacoalhar da gasolina, fazendo com que ela se atrite com as paredes do caminhão, pode gerar carga elétrica. Quando uma pessoa toca com as mãos a válvula para descarregar a gasolina, pode saltar uma faísca que produzirá a combustão do vapor de gasolina. Para evitar isso, esses caminhões mantém uma corrente metálica se arrastando no chão. Essa corrente conduz para a terra qualquer carga elétrica que se possa gerar.Nos lugares muito secos, isto é, onde há pouco vapor d'água no ar, é perigoso limpar-se roupa atritando-a com um pano embebido em gasolina, porque o atrito pode gerar cargas elétricas, que podem dar faíscas, que por sua vez podem incendiar os vapores de gasolina.

Gravidade Zero

É possível respirar em gravidade zero, ou quase zero. É o que acontece em naves com vôo tripulado, onde a cabine é pressurizada, ou seja, tem ar lá dentro, embora a gravidade local seja muito baixa ou até mesmo nula.Não é possível criar, aqui na Terra, um ambiente sem gravidade. Pode-se, no entanto, simular a imponderabilidade (sensação de ausência de gravidade). Isto normalmente é feito com grandes aviões de carga que descrevem uma certa trajetória circular de grande raio, de tal forma que a aceleração centrípeta do avião se iguale com a aceleração da gravidade local. Quem está dentro do avião (os astronautas em treino, por exemplo), têm a sensação de ausência da gravidade. É só a sensação, pois na verdade há gravidade.Os astronautas que estão na estação espacial internacional na órbita da Terra, neste momento, têm a sensação de ausência de gravidade, embora lá exista gravidade, de menor intensidade do que a da superfície da Terra, mas têm.
A Nasa também treina seus astronautas numa enorme piscina (a maior do mundo, em volume), para que os astronautas tenham uma sensação de ausência de peso, devido ao empuxo da água.