Página 1 > Página 2 > Página 3 > BIBLIOTECA > MAPAS DE TODOS OS SITES
<= VOLTAR PARA CURSOS TÉCNICOS
Professor angelo antonio leithold py5aal ensino médio
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - PREPARATÓRIO FÍSICA
EMBAIXO, PÁGINA ANTIGA
O estudo da eletrostática é dividido em três partes. São elas: atrito, contato e indução. O fenômeno eletrostático mais antigo conhecido é o que ocorre com o âmbar amarelo no momento em que recebe o atrito e atrai corpos leves. Tales de Mileto, no século VI a.C., já conhecia o fenômeno e procurava descrever o efeito da eletrostática no âmbar. Também os indianos da antiguidade aqueciam certos cristais que atraiam cinzas quentes atribuindo ao fenômeno causas sobrenaturais. O fenômeno porém, permaneceu através dos tempos apenas como curiosidade. No século XVI, Gilbert utilizou a palavra "eletricidade", esta derivada da palavra grega elektron que era o nome que os gregos davam ao âmbar. Gilbert reconheceu que a propriedade eletrostática não era restrita ao âmbar amarelo, mas que diversas outras substâncias também o manifestavam, entre estas diversas resinas, vidros, o enxofre, entre outros compostos sólidos. Através do fenômeno da eletrostática nos sólidos, observou-se a propriedade dos materiais isolantes e condutores. Otto von Guericke inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática, este era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas. Gray, em 1727, notou que os condutores elétricos poderiam ser eletrizados desde que estivessem isolados. Du Fay descobriu que existiam dois tipos de eletricidade, a vítrea, e a resinosa, a primeira positiva e a segunda negativa. Petrus Van Musschenbroek em 1745 descobriu a condensação elétrica ao inventar a garrafa de Leyden, o primeiro capacitor, que permitiu aumentar os efeitos das centelhas elétricas. Benjamin Franklin, com sua experiência sobre as descargas atmosféricas, demonstrou o poder das pontas inventando o pára-raios, porém foi Coulomb quem executou o primeiro estudo sistemático e quantitativo da estática demonstrando que as repulsões e atrações elétricas são inversamente proporcionais ao quadrado da distância, em 1785. Descobriu ainda o cientista, que a eletrização ocorrida nos condutores é superficial. Os resultados obtidos por Coulomb foram retomados e estudados por Laplace, Poisson, Biot, Gauss e Faraday.
Conceito de ENERGIA
Afinal, o que é Energia?
As Auroras Boreal e Austral estão diretamente relacionadas às linhas de campos geradas onde partículas carregadas atingem a atmosfera superior fluorescendo-na. As partículas no cinto exterior de radiação Van Allen são elétrons e íons energéticos ou prótons, existe também uma pequena quantidade de partículas alfa e O+, semelhantes aos presentes na ionosfera, mas muito mais enérgicos. O fluxo de partículas (Estas podem ser elétrons ou íons) pode aumentar ou diminuir drasticamente como conseqüência de tempestades geomagnéticas e solares. Estas são ativadas pelo campo magnético e perturbações do plasma (Lembre, plasma é o quarto estado da matéria) produzidas pelo Sol. Logo na alta atmosfera do planeta contém muita energia concentrada e provinda do Sol. Portanto, é necessário conceituar a energia, em especial a nuclear para que se possa acompanhar certos fenômenos que ocorrem na ionosfera, lá é um laboratório de energia nuclear. Analogamente aos conceitos de matéria, força, tempo ou massa , a energia tem um conceito unificado inventado para explicar sistematicamente certos fenômenos físicos importantes entre estes a produção de trabalho. O significado do conceito é amplamente intuitivo, auxiliado por um estudo dos sistemas físicos energéticos. Os sistemas mecânicos possuem energia potencial, e tendem a posições de equilíbrio em que a energia potencial é mínima. Quando a energia potencial é reduzida, o trabalho é realizado pelo sistema como energia cinética (de movimento); quando a energia potencial é aumentada , a energia é extraída do exterior do sistema, isto é, o trabalho é realizado sobre o sistema. A energia associada aos sistemas gravitacional, químico, térmico, magnético e elétrico; pode ser armazenada, transportada irradiada e convertida de uma forma para outra. Nesses processos ela é conservativa, isto é, a quantidade total não varia. É quase impossível dar uma definição precisa para energia, mas algumas afirmações podem dar uma idéia do que seria. É comum definí-la " em termos da capacidade para realizar trabalho’’. Numa avaliação preliminar pode ser a conexão entre trabalho e energia propriamente dita: Ou, uma determinada quantidade de trabalho W feito em um sistema mudará a energia do sistema ‘’E’’ pela mesma quantidade. Em situações onde nenhum outro processo de transferência esteja envolvido. Podemos também definir trabalho como o resultado da aplicação de uma força (gravitacional, eletromagnético, etc) por uma distância física.
Logo:
ENERGIA é a capacidade de realizar trabalho, sendo trabalho com significado de ação.
TRABALHO é a variação do estado da energia.
ESTADO é a medida da condição da energia de um sistema.
SISTEMA é a disposição ordenada de processos ou de entidades físicas relacionadas, ou de seu modelo.
MODELO é o diagrama traçado usado para descrever o sistema, ou o enunciado matemático estabelecido para descrever seu desempenho.
DESEMPENHO é a descrição verbal ou matemática dos processos de energia envolvidos nas mudanças de estado. O armazenamento ocorre se o trabalho realizado num sistema físico é recuperável na forma original. A conversão ocorre quando mudanças relacionadas com o estado tratam das diferentes formas de energia e se a ação é reversível. A dissipação é uma conversão irreversível em calor, por exemplo. A transmissão e a irradiação constituem formas de transporte de energia em que há um tempo de propagação limitado. Num sistema físico haverá sempre entradas e saídas de energias de qualquer forma. O próprio sistema pode armazená-la e dissipá-la, o princípio de conservação da energia estabelece que a energia de entrada num sistema é igual a soma de todas as outras energias, ou seja Em = Ec + Ep. A energia total de um sistema pode ser subdividida e classificada em muitas formas. Por exemplo, às vezes é conveniente distinguir energia cinética de energia potencial. Às vezes é conveniente distinguir energia gravitacional, energia elétrica, energia térmica, e várias outras formas de energia que se sobrepõem; por exemplo, a energia térmica que pode ser parcialmente cinética e parcialmente potencial. A unidade de SI de energia é o joule, esta não tem nenhuma direção no espaço, é considerada uma quantidade escalar conservada que não pode ser criada, nem destruída. Pode fluir de uma região a outra, ser convertida a outras formas, mas sempre de tal um modo que a energia total seja conservada. Como um corolário, permanece sempre a energia total do universo. Interpreta-se que todas as mudanças podem ser explicadas na realidade por algum tipo energético. Logo, a idéia que poderia ser armazenada arraigou no pensamento científico. Existe em formas diferentes, por exemplo, energia elétrica que pode ser armazenada numa bateria, a química em materiais combustíveis (Madeira, por exemplo), a térmica num aquecedor de água, ou a cinética de um objeto que se move. Em 1807, Thomas Young foi o primeiro a usar o termo "energia" através do produto da massa de um objeto e sua velocidade ao quadrado. Gustave-Gaspard Coriolis descreveu "energia cinética" em 1829, em 1853, William Rankine cunhou o termo "energia potencial" e assim por diante. O desenvolvimento das máquinas a vapor exigiu dos engenheiros a concepção de novos conceitos e fórmulas que lhes permitiriam descrever a eficiência mecânica, e térmica dos sistemas mecânicos de conversão de energia. Os engenheiros Sadi Carnot e James Prescott Joule, os matemáticos Émile Clapeyron e Von de Hermann Helmholtz, e o autodidata Julius Robert von Mayer contribuíram à noção de que a capacidade de realizar trabalho depende de alguma maneira à quantia de energia dum sistema. A natureza da energia na época era difícil de parametrizar, foi discutida durante anos se era uma substância (calórica) ou uma quantidade física (como impulso). William Thomson (Lord Kelvin), amalgamou todos os princípios físicos energéticos, às leis da termodinâmica que ajudaram no desenvolvimento das definições dos processos químicos, que usam o conceito de energia de Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs e Walther Nernst. Também conduziu a uma formulação matemática do conceito de entropia por Ludwig Boltzmann, e para a introdução de leis de energia brilhante por Josef Stefan. Os conceitos de energia e suas transformações são úteis para explicar os fenômenos naturais, entre estes a lei de conservação de energia. Também a conceituação de entropia é muito utilizada em quase todos campos de ciência. Uma vez que energia pode ser definida como o trabalho de uma certa força. Por exemplo, energia cinética é trabalho da força que acelera uma massa, energia gravitacional é o trabalho da força gravitacional (levado com sinal de negativo), energia elétrica é o trabalho da força elétrica, e assim por diante. Matematicamente, trabalho é definido como a força multiplicada por uma distância. Ou , o trabalho (W) é igual à integral do produto de ponto da força (F) em um corpo e o infinitesimal da tradução do corpo (S). Dependendo do tipo de força F envolvida, o trabalho desta força é chamado como um tipo correspondente de energia (gravitacional, eletrostático, cinético, etc). As unidades de energia são exatamente iguais a unidades de trabalho (joules no SI). O trabalho é variável dependente, logo a energia também se torna variável dependente. Por exemplo, embora um projétil qualquer, em velocidade, tenha energia cinética em relação a um observador, tem energia cinética zero em relação a si mesmo, por que faz trabalho zero para acelerar o projétil da velocidade zero numa distância relativa a si mesmo de zero. Claro que, a seleção de um estado de referência é completamente arbitrária, e normalmente escolhida de forma a simplificar o problema a ser resolvido. Porém, quando a energia total de um sistema não pode ser diminuída por uma escolha simples de referência, então a (mínima) energia que permanece no sistema é associada com uma massa invariante do sistema. Esta condição especial, chama estado de centro-de-impulso ou estado de centro-de-massa, onde a energia total do sistema “E”, em ambas variáveis de massa relativística m estão relacionadas pela equação de Einstein E = mc², daí se conceituou que a energia e massa estão co-relacionadas. A primeira menção de recursos de energia nuclear ocorreu em 1905, quando Albert Einstein enunciou a equivalência entre massa e energia na famosa equação E = mc² . Isto sugere que 1 kg de matéria , se transformada , igualaria a 100 Tj, ou a 30.000 MWh (Milhões de Watt hora). De certo modo, todas as fontes de energia comuns são nucleares (pois foram originadas a partir do Sol), mas a fonte imediata na maioria das usinas termelétricas emprega a combustão de um combustível de hidrocarboneto, um processo de redisposição atômica. No caso da energia fóssil, os constituintes do combustível são o oxigênio e um hidrocarboneto complexo. O último originou-se com o auxílio da energia solar, que é armazenada nas moléculas em virtude das suas energias de ligação. Sob temperaturas moderadas, a mistura oxigênio-hidrogênio é estável, porém, ao aumentar a temperatura, isto é, em temperaturas elevadas, ocorre um “efeito de disparo”. As moléculas aquecidas absorvem energia e se rompem, e os fragmentos se combinam com o oxigênio para formar arranjos de conteúdo de energia intrínseca mais baixa. Nessa espécie de “decaimento energético”, a energia liberada aparece como radiação ou como velocidade aumentada dos fragmentos, sendo assim a resultante a produção de calor, que por sua vez aumenta o efeito do disparo. Caso a energia térmica se esgote muito lentamente, o processo rapidamente se torna explosivo.
O que é reação nuclear? Cada partícula de uma reação é escrita com seu símbolo químico, então subescrito o número atômico, e sobrescrito o número de massa atômica. O nêutron e o elétron, enquanto não sendo elementos químicos, são respectivamente determinados com os símbolos “n” e “e”. O próton pode ser denotado por "H" (como um núcleo de hidrogênio) ou como" p." Para equilibrar uma equação, temos que assegurar que a soma dos números atômicos em cada lateral das equações seja igual (lei de conservação de carga elétrica), e que a soma das massas atômicas em cada lado também (lei de conservação do número de baryon)" . Para muitas partículas oriundas de reações nucleares se utilizam símbolos, por exemplo, o núcleo de hélio (também conhecido como uma partícula alfa) é escrito com a letra grega "Alfa", os Deutérios (simplesmente escrito " d."). Os números atômicos são escritos pelos seus símbolos químicos, e freqüentemente se omitem. Muitas reações comuns ocorrem quando um núcleo relativamente pesado que é acelerado contra um grupo pequeno de elementos pesados, as partículas de reação, após emitidas são aceleradas contra outras e assim por diante, produzindo outros núcleos, e liberando energia. Pode ser liberada energia durante uma reação ou pode ser utilizada para outra reação em cadeia. De acordo com as tabelas de referência, o núcleo 63Li tem um peso atômico de 6.015 unidades de massa atômica, o deutério é 2.014 u.m.a. e o núcleo de hélio é 4.0026 u.m.a. (unidades de massa atômica).
Assim:
* Massa total = 6.015 + 2.014 = 8.029 uma
* Massa total durante a reação = 2 × 4.0026 = 8.0052 uma
* Massa perdida = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 uma.
A "massa perdida" provém da energia liberada da reação; sua fonte é a energia da ligação nuclear. Usando "E=mc² " , podemos deduzir quanta energia foi liberada. Na realidade, uma unidade de massa atômica é equivalente a 931 MeV, assim a energia libertada é 0.0238 × 931 MeV = 22.4 MeV.
Expresso de outra forma: a massa foi reduzida 0.3%, ou 90 PJ/kg é 300 TJ/kg.
Esta é uma quantia grande de energia para uma reação nuclear; e é tão alta porque a energia que liga o núcleon-núcleo do Hélio-4 é extraordinariamente alta, porque o núcleo do He-4 é duplamente “rijo”. O núcleo do He-4 é extraordinariamente estável pela mesma razão que o átomo de Hélio é inerte: cada par de prótons e nêutrons em He-4 ocupa uma orbital 1s (Veja em química) nuclear da mesma maneira o par de elétrons de Hélio ocupa a orbital 1s completa, o que dá estabilidade ao átomo e nobreza, pois não se liga a nenhum outro elemento devida ligação eletrônica estável.
A energia liberada numa reação nuclear pode aparecer principalmente num de três modos:
* energia cinética das partículas de produto
* emissão de fótons de energia muito altos, chamados raios gama.
* um pouco de energia pode permanecer no núcleo, como um nível de energia meta-estável.
Quando o núcleo do produto for metaestável, coloca-se um asterisco (" *") próximo a seu número atômico. Esta energia é libertada eventualmente por decaimento nuclear. Uma quantia pequena de energia também pode emergir na forma de Raios-X. Geralmente, o produto do núcleo tem um número atômico diferente, e assim a configuração dos orbitais eletrônicos está instável. A instabilidade faz o eletrons se rearranjarem e descem de nível energético emitindo fótons de Raios-X. A taxa à qual as reações acontecem depende do fluxo de partículas, das reações ocorridas e das interações entre partículas (Cross section). Em física de partículas ”cross section”, é um conceito usado para expressar a probabilidade de interação entre partículas. Pode caracterizar a probabilidade que uma reação nuclear particular acontecerá, ou a natureza estatística de se espalhar eventos. A cross section é expressada em unidades de área. As reações por volume de unidade por tempo podem ser obtidas se supormos que todos os nêutrons estão se deslocando com a mesma velocidade. Na colisão inicial, que começa a reação em cadeia, as partículas têm que se aproximar o suficiente de forma que possa afetar força nuclear forte. Como a maioria das partículas nucleares é carregada positivamente, isto significa elas têm que superar repulsão eletrostática considerável antes da reação começar. Até mesmo se o núcleo fizer parte de um átomo neutro, a outra partícula tem que penetrar bem além da nuvem de eletrônica e chegar no núcleo que é carregado positivamente. Assim, as partículas arremessadas contra os núcleos atômicos devem ser muito aceleradas de forma a vencer as forças de repulsão que tenderão a desvia-las de sua trajetória. Os métodos são:
* aceleradores de partículas
* decaimento nuclear (partículas alfas são o principal interesse, porque que as partículas beta e os raios gama são raramente envolvidos em reações nucleares)
* temperaturas muito altas, na ordem de milhões de graus, que produzem reações termonucleares
* raios cósmicos.
DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA
O texto acima teve por objetivo uma rápida introdução ao conceito de energia. Embora muitos estudantes acreditem que este não se adequa ao estudo do segundo grau, este é importante paras que o aluno do ensino médio entenda o porquê de certas conceituações e cálculos. Muitos acreditam que o estudante não tem maturidade para entender tais conceitos, mas, quem sabe se o tem ou não, é o próprio aluno, que decidirá assim, se quer ou não aprender determinada matéria, e não será tomado de surpresa por uma escolha mal feita de uma profissão no futuro. A questão da energia, é importante para que se possa, de maneira um pouco menos superficial, entender o que é afinal a tal "dualidade onda-partícula", pois, como se pode entender algo tão "fantasmagórico", se sequer se tem condições de avaliar o universo de conhecimento que nos cerca? Assim, podemos vislumbrar, em primeiro lugar, o que seria o termo dualidade, ou dual. Dualidade, desta forma, em grosso modo, poderia ser definida como algo que possui duas naturezas distintas, desta maneira, podemos admitir alguns conceitos um pouco mais elevados. A dualidade onda-partícula, é uma propriedade básica da mecânica quântica e consiste na capacidade das partículas subatômicas de comportarem-se ou terem propriedades tanto de partículas como de ondas. Foi enunciada pela primeira vez em 1924 pelo físico francês Louis-Victor de Broglie, que anunciou que os elétrons apresentavam características tanto ondulatórias como corpusculares, comportando-se de um ou outro modo dependendo do experimento específico. A experiência de Young (experiência da dupla fenda) de Thomas Young exemplifica de maneira sensível esta dualidade. De Broglie se baseou no efeito fotoelétrico para chegar a esta conclusão, já que Albert Einstein havia concluído que os fótons que atuavam no efeito fotoelétrico eram partículas com energia E=h•f, onde f é a frequência de onda. Einstein, concluiu desta forma que, em determinados processos, as ondas se comportam como corpúsculos. Então, de Broglie associou o inverso, ou seja, que toda a partícula se comportava como uma onda. O físico francês foi capaz de relacionar o comprimento de onda com a massa da partícula, mediante a formula λ=h/m•v, onde o produto m•v representa o módulo do vetor P, ou quantidade de movimento, h é a constante de Constante de Planck, e 'λ', o comprimento de onda. Observando-se a fórmula verifica-se facilmente que, à medida que a massa ou sua velocidade aumenta, diminui consideravelmente o comprimento de onda. Os corpos macroscópicos têm associada uma onda, porém a massa é tão grande que se pode afirmar que apresenta um comprimento de onda desprezível, porém não nula. Por isso, na hora de falar sobre partículas é muito importante considerar a dualidade, já que o comprimento de onda que possuem explica muitos de seus fenômenos.
ONDAS
Onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. Em função da direção, as ondas são longitudinais e transversais. Em função do meio em que se propagam são classificadas: Ondas mecânicas, necessitam de um meio elástico (Sólido, líquido e gasoso). Ondas eletromagnéticas, se propagam no espaço sem a necessidade de um meio material. Em função da propagação, as ondas se classificam como unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. 1) Ondas de uma corda ou de uma mola. 2) Ondas na superfície de um lago. 3) Ondas esféricas, radiofreqüência, luz, etc... Fenômenos ondulatórios: Difração, quando uma onda contorna um obstáculo, Efeito Doppler, ocorre devido movimento relativo entre a fonte emissora das ondas e o receptor das mesmas. (Exemplo, um veículo se aproximando buzinando), Interferência, ocorre quando as ondas se combinamno mesmo ponto do espaço, pode ser construtiva (Em fase) ou destrutiva (defasada). Reflexão: uma onda encontra com um novo meio,muda de direção. Refração: Uma onda ao encontrar um meio de densidade diferente, sofre desvio. Altura de um som: freqüência da onda sonora, sons mais graves, baixos, agudos altos... Intensidade sonora: relacionada com a energia que a onda sonora transfere, por exemplo, ao nosso ouvido, sendo maior se a amplitude da onda é maior. Timbre de um som, é a identidade de uma determinada onda sonora em relação à frente de onda que a emitiu. Cada instrumento musical, por exemplo, pode emitir as mesmas freqüências fundamentais, chamadas notas musicais, mas suas características são diferentes.
Bibliografia:
MIT- Massachusetts Institute of Technology - MIT - Massachusetts Institute of Technology - Choice of Lectures material choice concepts, fundamentals of engineering ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-080-economic-environmental-issues-in-materials-selection-fall-2005/ MIT ( Issues in Materials Selection)
Alekseev, G. N. (1986). Energy and Entropy. Moscow: Mir Publishers.
Feynman, Richard (1964). The Feynman Lectures on Physics; Volume 1. U.S.A: Addison Weseley. ISBN 0-201-02115-3.
Walding, Richard, Rapkins, Greg, Rossiter, Glenn (1999-11-01). New Century Senior Physics. Melbourne, Australia: Oxford University Press. ISBN 0-19-551084-4.
- eletro1.pdF 726 KB Visualizar Download