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Principios de Fisica
Vol. III
Eletromagnetismo

Traduf;:ao

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Norte-americana
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THOIVISON

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Gerente Edit o rial:
Adilson Pe re ira
Edito ra de
Desenvolvimento:
Ada Santos Seles

Titulo Original:
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Principios
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Vol. III

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Tradu9ao da 3 - EdlvBO
Norte-americana

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Serway portugues electromagnetismo

  1. 1. , Principios de Fisica Vol. III Eletromagnetismo Traduf;:ao da 3S! Edif;:ao Norte-americana
  2. 2. I THOIVISON ... Gerente Edit o rial: Adilson Pe re ira Edito ra de Desenvolvimento: Ada Santos Seles Titulo Original: Principles o f Physics: A Calculus-Based Text Third Edition ISBN: 0-03-027 157-6 Copidesque: Elaine Ferrari de Alme ida Revisao: Marcos Soel Sifveira Sant os e Vera Lucia Quint anilha Supervlsora de Prodw;ao Editoria l: Pat ricia La Rosa Tradutores: eonardo Freire de Me llo L T§nia M. V. Fre ire de Mello Editora~a o Produtoril Edito rial: Danie lle Mendes Sa les Revisor Tecnico: Andre Koch Torres Assis Capa: FZ. Dab li o Design Stud io COPYRIGHT C 2002, 1998, 1994 de Raymond A. Serway COPYRI GHT C2005 para a ling ua portug uesa ad qui rid o por Thomson l earning E d i ~oes Ltda., uma dlvlsao da Thomson Learning, Inc. Thomson l earning™ e uma marca registrada aqui utilizad a sob licen~a. Todos os di re itos reservados. Ne nhuma parte deste livro podera ser reproduzlda, sejam qua is fo rem os me ios empregados, sem a perm issao, por escrlto, da Edit o ra. Aos infratores aplicam-se as san~oes previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 d a l e i nil 9.610, de 19 de fevere iro de 1998. Dados Int ern ationais de Ca tal oga ~ iio na Publi ca~iio (CIP) (Ca mara Bras lleira do Livro, SP, Brasil) Serway. Raymond A. Princlpios de flsica I Raymond A. Serway, John W. Jewett Jr.; t radu~30 Leo nardo Freire de Mello, nnia M. V. Freire de MeJlo; revls.!io tecn lca Andre Koch T orres Assis. - S.!io Pa u lo: Tho mson learn ing Ed i~Oes, 2006. Titu lo origin a l: Princi p les of physics Conte udo: V. 1. Mec.:i nica classica~· v. 2. Movimento ondulat6rio e te rmod inam ica -- v. 3. Eletromagnet ismo. Bibliografia. 1. reimp. da 1. ed. de 2004 ISBN 85-221 -0414-X 1. Elet romagnet lsmo 2. Fisica I. Jewet t Jr., John W. II. Titulo. 04-4824 COO-S37 indice para catalogo sist ematico: 1. Eletromagnetismo: Fisico 537 Impresso no Brasil. Printed in Brazil. 1 23408 0706 Rua Traipu, 11 4 - 311 a nda r Perdizes - CEP 01235-000 5110 Paulo - SP Tel.: (11) 3665-9900 Fax: (1 1) 3665·990 1 sac@thomsonlearning.com.br www.thomsonJearning.com.br EletrOnica: Know-how Editoria l
  3. 3. Principios de Fisica Vol. III EJetromagnetismo Tradu9ao da 3 - EdlvBO Norte-americana Raymond A. Serway John W. J ewett,Jr. TradlU;:io Leonardo Freire de Mello Tania M. V. Freire de Mello -- Revisio T«nica Andre Koch Tones Assis , THO IVI SO N B ,. ~ I Mtl<l(O
  4. 4. __ '~ ''''nade. o'' ... 0. .., ... _ ''''''''£0 .......... ..., • • '"b.a<>&<.o " " . ) :';"'0, 'P, . . ..... ) .. "'." ..."""d , •. """'.'<» '" "".,. J.. ,._.00 '-,.,".0 ,,,, ..Jom "- I ... ,....." A, " " " " J o', " " -. 110, " . ,. ~ , V, F"c, . .. ,.. "o, ro. , ." .Ooo ! " _ ... '0<> T. ". . " .. " , -- ,"0 , ,,10 , , T>oooon 00. '0''4 <0'00<', "0' . ';<01. D<i~""! ' ";"04>1.. of "",",C. v. !. "0,"'00 <1 ; " ' 00 __ v. •. _ ,,,.,,.,to ",,""-,,"!o • t • .-."""-",, OO<, t .o~ . ""~ .e 'ooo 1. do '- " ' .... " " <.,"" . ibl i"",.,,, . "'." ".,"_",,_ , L <1 . . . - - - " " " " " " ,. " . . " I. . - . " J .. ' ''''' • . II, " " k . .."" <= ' "
  5. 5. Dedicatoria EM MEMORIA DE John Vondeling um querido amigo e companheiro, par sua grande sabedoria e entusiasmo como editor, e por sua orienta~M alen-ta ao tongo dos anos E Sally Kusch uma editora de projetos de primeim dasse, que trabalhou tiio diligentemente nas vers6es iniciais desLe e de Duiros liuros didaticos de fisica. Vamos sentir saudade deles.
  6. 6. Conteudo VOLUME I Urn Convite G era I Apendices Respostas dos Problemas (mpares a Ffsica 1 indice Remissivo Introduc;:ao e Vetoras 2 Movimento em Urna Dimensao 3 Movimento em Duas Dimensoes 4 As Leis do Movimento 19 5 Apllcayoes Adicionais das Leis de Newton 20 Potencial Eletrico e Capacimncia 6 Energia e Transfereneie de Energia 7 Energia Potencial 8 Momento e Colis6es 9 Relatividade 10 Movimento Rotacional 11 Gravidade, Orbitas Planetarias e 0 Atomo de Hidrogenio VOLUME III Forc;as Eletricas e Campos Eletricos 21 Corrente e Circuitos de Corrente Continua 22 Forc;as Magneticas e Campos Magneticos 23 Lei de Faraday e InduWncia 24 Ondas Eletromagneticas" Apendiees Respostas dos Problemas fmpares Indice Remissivo Ape ndices Respostas dos Problemas (mparas VOLUME IV (ndice Remissivo 24 Ondas Eletromagnetlcas VOLUME II 25 Reflexao e Refrayao da Luz 12 Movimento Oscilat6rlo 13 Ondas Mecanicas 26 Formacyao de Imagem par Espelhos e Lentes 14 Superposic;:ao e Ondas Estacionarias 15 M e cEinica de Fluidos 16 Temperatura e Teoria Clnetica dos Gases 17 18 • Energia em Processos Tarmicas A Primeira Lei da Tel"modinamica Maquinas Tennicas, Entrapia e a Segunda Lei da Termodinamica N. E.: Por moti w)!;; cEdaticos, oplamos por n:po:tir 0 27 Optica Ondulat6ria 28 Ffsica Quantica 29 Fisiea Atomica 30 Ffsica Nuclear 31 Fisica de Particulas Apendices Respostas dos Problemas (mpares fndice Remissivo Capitulo 24 tambem no '01. IV. vii
  7. 7. des t e Conteudo Um Convite P Ff,,;ca, eome .orto 5 10 F~. r~ 'l!i. Acumubtb ~m urn I::'pKilO!" Ca'''''g:''Io, m 20.10 c..pacilore. <om llidomc,.... 747 'l:O.11 Col1e.cio com 0 Col1 ltxLO - A AunQik'" ""mo um c..p".cito<. 7J) 20.9 Xl Pref6clo. 670 Raios, 614 R=m<>. Eetric.a8 e CAmpoe a6tr1oos, R,.,.~ ,,>rin. 6n 2"1 Co. 0eo .to! e Circultoa de Co~. Ullh .. do Camp<> .1o!tnf.(>, 691 M",im,," '" de r .. tkul .. C",.... K~ru.. cm um 19.8 (;;un"" F.lelrico Uniform~. &9J n~ F.lbrieo. 6j16 H .. I-'rojmedodes d»~ .... F.l ~tnc .... lIoI.Iltc! ~ Co"dulolc" 1-,,; do: Co" lnmb. C~ I1fX'" ~lllricoo. "I 684 Contfnue, lIOn R"'Ul1kJ, 707 719 <k P<><cn.<i.>.l C I~ Jtencial 7ZO 20.2 Oir"",n,... do: Po",naaI ~rn um Ornrpo flilrico Dire~Il<' ~tri<o. Unifurmc. 722 20.3 Pn"'"cw EUttk" e .:"'crgia I't)(eno:ol [ I<'uic<& d. CorS"'" r",,(U~i ,. 72J ZOA 0 ",".-100 c..mp<. l:J ~trl~o • Patti[ do Polenci.:tl ~~ tnoo. WI 20.~ I'otcru:ial UCtrko Delidu a O;"tritK.Ou.c. Conun.u.dcCarp.. 7JiJ 21).6 '(J(cnci:.ol r .k'lrico de urn (.A>n<JUfOt" a.n~ ill 20.7 c..paci~~. :aUl Cm.~On 7Jj de Oop.ci,."..".. 74() Urn Modd" £t.tn""'~ !'Jetric-... 77/1 2U 7()9 20 Potanclal El6tr1co. C ......... lt.I!oncla. 7_ 21.1 Go"en' ~ llo'me... 767 21.2 k>i.ti-nru. ~ 1-,,[ rl~ Ohm. SUpo!r<:onduoorco, 176 671 19.9 I..,idee.."... ' " 19.10 .... plk .....;oo <h Lei <Ie C.au .. a Iliwibu;we. Sim~I'k .. de C:uga. 1()/ 19.1 1 C)l1duto<c> em F-'luillbno !:ku ... l<iUco. 70J 19. 12 Conc xiW com 0 c...llt~~'n _ 0 C:.",p" Eltuko Au","" ffriw, 114 676 19 1 19 ~ 19.5 19.4 19..~ 19.6 19.7 20.1 Volume '" ,»". no a Cund""ao ~:"'ergilll'.lttric:a ~ ~-:- 181 Fontes d e fern. 1M R""""""' .... ~em l'oU2ldo, 7Bf> 21.8 Regr.oo <k Ktn;hhe>IT ;0......".. SimplCII do: Co<rt n", Continua, in 21.9 Cin;ui_ RC. iH 21.1 0 COM"'O com" Coutnto - A Almo.r~ra <om" um C""duto[, BOI It.e:!.umo. 802 21.1 ConcI ...1k> do eontexto II Modelando a Atmosfera par. Det~nninaro l'O.uncn> de Q,,~du de Rains. 8/J Coote.orto 8 .ffi....."" d~ U-Vi..,io Magnkka. 816 22 Forye. M agnHc: .... e Campoe MaOMtleoe.. A~R 22.1 Rc,,""",o Hi,,<'>rica. 8/9 22.2 0 amp<> M.~,,~ti "... 820 22.3 M"",.",mo de urn. 1',"1 11 ntrn-pl:.t ~ ." urn ..... Camp<> M>gnfu«>. 82$ ....pli<2<Oc. do !oi<Mment" de I':trticuIn c..-~ ~m um Comp.. M~tiro. m 2"2!> fCKU t.bgIl~UC<t o.obr~ "rn Conduoor rom eo.-",n lr . 831 n... "
  8. 8. 1'2.6 TDf'l~ oubre ...... f~ de ~fe em um Cunf"l ,l.b~ Unil"moe. m Con~ldo 7 ~.... jI(Ir6 :Z4 Onde. EJetromD~.. 1'2,8 A,,,,,,, M'gne,i<;-. ~ml~ DoU Conduw ... h I f>x","'''''', _ LddeAulptu. 841 fI08 Cum"'''.1e O...k'o''''""1<1 ~ ~ I.e! MAJUre'" C",ncralimda. 9O'J r~ de Ma.-IL 9lfJ Oc....po).bgniIicocs.. .... So:.Inx;id~. MJ ,l.bp...... "" MaIhV. Mf ~<nm"Cnn .. ~ ... -O Moddode A'",~io pan. a L"" II~ M"lrn~llca. 848 !U !4-' Ondad:J",o:rM'"p(f>a>, '11 2U Dc:xobc. ~ de lI~ru. ,,, !·U [ncrp T.,.,.,.pocuda I'd.. Onda~ E"'tr<>m>.g,,~.ic.... 92'0 RnUID'" :12.9 !t.IO ft. I I 22.12 ~~.!! Mom~IlI'" e ',ew~ de b1ia(-lo. '12 7 U uP«"'" do. a " d., EJ.",,,,,",¥,,.;ua.. , j f 2Ul Pubri~. 14.9 eo.~ com 0 CvnI~"'O _ "" I....... ~ r.~;.. b u... de ta.c<. ,J I Raumo. lIJ4 8J(J !~ :Z:S IAI de Farodey • lndut8ncl., 862 73.1 AUllkr1n<Uydatndu(io. 1M1 23.2 It. r~'n de M...imcnl<l. 1/6, !3.5 ,.... do: ten.. 87J n .. ~...,.,.. lnduri<b. c a.mpn. [W'alro!.. In , b..s Au ........... tincia. ' " O,CWrU. ~ &ItZ 217 Energia "'m.,"n:od~ em urn a..npo %..! •• Mag"~ticc. 1186 :U.! ,"",lUi" oom " eo"I.t:XIO _ 0 Model<> <k RepWoio pAr.I a r..:..~ Magn."Dc:.. IIIl'J " , C . ,ll. .:n T.bda.. "' .1 ~ ~f~oka. "'.U r.J..et. I'coiMK'lO 0.,.. '~cmem .... , A,n U"j<4de. St, AJJ Canludor-a do IWmio "',.,.",., A.JJ Roto- . Ifl Res~ta. do. P,cblut ••• ImpB •• , ConcI...ao do Contexto ~ Frnndu 0 Vricuko. 90) e """,,,,",Ii.ndo Indloe A<lmi.aivo. t. , A.4'
  9. 9. P r ef a cio rindpios dt Fi.~ica foi desenvohido para urn curso de fisica in trodut6rio de urn ana, bascado no calculo, para estudantes de cngen haria e de cii:ncias e para eS ludantcs de medicina que fa zem urn ClIrsU rigoroso de fis ica. Esta edif,;ao cOlllem muitas caracterlsticas pedag6gicas novas - mais notavelmentc, urn enfoque contextual para aumentar a motiva~ao, uma en rase maior para se etitar cance(>(oes erroneas, c uma eSlJ'atcl:,'ia de resohu;ao de problemas que utili7.a 0 enfoquc de modeios. Este projcto foi conccbido por causa de problemas bern conhccidos aD se dar urn cursa de fisica introdut6rio baseado no c:i1culo. 0 contcudo do curso (e, partanto, 0 tamanho dos Iivros didaticos) continua a creseer, enquanto 0 numero das haras de contam com as estudantes ou diminuiu ou permancceu inalterado. Alem disso, CUT'SOS tradidonais de u rn ano cobrem pouco ou nada da fis ica do seculo xx. Ao pl'eparar este livro didat.ico, fo mos moti..'ados pelo interesse cre~cente de rcformular esse CUi'SO, principalmeme pelos esfon;:os do Introductory University Physics Project (lupp) , financiado pela American Association of Physics Teachcrs e pelo American Institute of Physics, Os principais objetivos e diretnzes de:;.~e projeto sao: P • • • • ° rcd uzir 0 conteudo do Cllrso scguindo tema "menos pode SCI' maisn ; incorporar a ff.'ica cOlllemporftnea naturclimente no curso; organizar a curso no contexto de um ou mais "cnredos"; lr.lIar todos os estudantes impardalmcnte, com cqihdadc, Ao reconhccer hi varios anos a necessidade de urn Hvro did,hico que pudessc essa.s diretrizcs, eSludamos os diversos modelo5 Iupp propostos e os divcrsos relat6rios d05 comites Iupp . Finalmente, um de n6s (RAS) tornou·se ativamente envolvido na revisao e no plancjamento de 1Il11 modelo e~pccifico, desenvolvido iniciabnentc na U.S. Ail' Force Academy, intitulado "Um Enfoque de Particulas para a Ffsica Introdm6ria n • PasSOll-SC parte do verno de 1990 na academia em trabalhos com 0 coro nel James Head e com 0 tenente-coroncl Rolf Enger, os au tores prin cipais do modelo de partlculas, e com outro~ membros daquele dt:panamento. E.ssa co labora~ao lao util roi 0 ponto inidal desle projeto. o co-aulor (JWJ ) envolveu-se com 0 modelo Iupp chamado "Fisica em Contexto~, dcsenvolvido pOl' John rugden (American Institute o f Physics), David Griffiths (Oregon State University) c Lawrence Coleman (University of Arkansas em Little Rock). Esse envolvimento levou ao revestimellto con textual que 6 milizado oeste livro e dcscrtto em detalhes mais adian tc. alcan~ar K.E.: A I:(li!;. io em pOl'lHgub estli urgllHit,l dll e llL qU ;llro w [" mC!l: VOl. I - ~'I:(:all ica O ;L"lica: V l. II o :1m'ilnenlo Ondul;ltorio c 'lcr modinamica (an tt:rion ncllIe. no '01. I. denomin<ldo -Onda~ Termodill;'imi· ca.~"); Vol. III - Ektromagncli$m o " ill. IV - Optic.! C Flsk n "'",o< ["l'ln.
  10. 10. xii Prinripios de Fi5,w o enfoque combinado lupp deste livro tt:m as seguintes caractensticas: • E um enfoque evoluciomhio (em vel de lim enfoque revolucionario), que devc sllprir as ncccssidades atuais da comunidade cia fisica. • Ele remove IllUilOS topicos da ffsica chlssica (mis como circuitos de corrente 011 ternada e insITlimentos 6pticos) e coloca menos entase no mm;mento cle corpo rfgido, na aptica e I1a tcrmociinamica. • Alguns t6picos da tlsica do scculo XX, t..'lis como a relatividade especial, a quantizaC;,io da cnergia e 0 modelo de Bohr para 0 .llomo de hidrogenio, sao a presentados logo no inicio do livro. • E feim lIma tentaliva delibcrada para 1ll0Slrilr a unidade da ffsica. • Como uma ferrd men ta de motivac,:ao, 0 texto conecta os principios da fisica a questoes sociais intcrcssantes, a fena menos naturais e a avanc;os tecnol6gicos. OBJETIVOS Este livro didatico de ffs ica inlrodutoria tem dois oqjetivos principais: forneccr ao estudanle uma aprescnta!;aO dara e l6gica dos conceitos c principios basicos da fis ica, e fortalecer a compreensao dos conccitos e prindpios por meio de uma ampla gama de aplicac;oes intcressantes para 0 mundo real. Pard alcam;ar esses objetivos, enfatizamos argumelllos fisicos razooveis e a mctodologia de resoiw;,ao de problemas. Ao mesmo tempo, tentamos motivar 0 estudantc par meio de exemplos praticos que demonstrarn 0 papel da tisica em OUlras disciplinas, incluinda engen haria, quimica e medici.na. MUDAN9AS DESTA EDI9AO Foram reitas inumerdS mlldan(as e melhOl;as na edi«io d cste texto. Muitas dcssas mclhorias sao uma resposw as tendenci.as atuais na educac;ao de ciencia e aos com entarios e sugestoes forneci dos pclos revisores do manuscrito e pclas instrutores que utiJizaram as duas primeiras edio:;ues. A tista a seguir representa as principais mudanc;as: Conteudo Embora 0 con tetldo geral do livro seja similar aquele da edic,.<i.o an terior. '<irias mlldan(as foram implememadas. Urn cnfoque global para a energia e para a trdnsfcrencia de energia c: introduzido no Capirulo 6 (vol. J) e foj incorporddo em todo 0 livro. Uma discuS5.:io dos calores espedlicos mDlares dos gases faj adicionada aD ('..apitulo 17 (vol. 11). Tambem no Capitulo 17 a primeira lei da termodinamica e escrita na forma 6.E inl = Q + W, em vez da expressao comum que aparccc em muitos li"ros didaticos, 6.Eitll = Q - W Esta forma segue naturalmcnte 0 enfoque global para energia introduzido no Capitulo 6 e e consistente com a forma da lei que a maioria dos li'ros de quimica utiliza. 0 uso desta forma dOl primeira lei segue uma recomcnda(ao feiL.' POI' lim romite apontaclo pela American Physical Society. C!;Oes fora m modernizadas, exclufdas, ou combinadas com Finahnenle, muitas S autras seo:;6es para permitir uma apreseIltac;.io mais balanccada. Organizacao Incorporamos um esquema de "revcstimen to contextual" aD livro. em resposta ao enfoque "Fasiea em CA n texto~ do lupp. Essa carncteristica n O~d inclui aplica( oes interessantes dos assuntos tratados nesta edic;ao a qllestoes reais. Descm'olvemos essa caracterfs t.ica para SCI' flexivcl, de tal forma que 0 instrutor que nao des~je seguir 0 enfoquc contextual possa ignorar simplesmen te as caracteristicas contextuais adicion ais sem sacrificar uma eobertura com pi eta do material existentt:. Achamos, conludo, que serao muitos as beneficios que os estudantcs terao com esse enfoqtu:.
  11. 11. Pre r~c;o A organiza(ao de rcvcstimento con textual divide Contextos, apos 0 C...ap ftu lo 1 (vol. I), como segue: Nfunero do Contexto Contexlo 1 2 3 'I 5 6 7 • :t iss<io par.. MarIe Terre lllolos Em Musca do Titmlic Aquecimenlo Global Raios Vcieulos de Levita r,.:<io Magnthiea Lasers A Conexiio COsmic.a 0 tex to em oito se(oes, ou Topicos de Fisica CapituJos Meci nica da$$ica Vibr<I(Oes e ondas F1uidos Termodill<imka Elerricidade :1agnetismo 6 p tica Fisica llIoderna 2-11 12- 1<1 15 16-1 8 19- 21 22 -23 24-27 28-31 Cada Contexto COme(3 com uma illtrodu(ao, !evando a Lima questao central que mntiva 0 estudo dentro do Conlexlo. A se(ao final de cada capitulo e a Conexao com 0 Contcxto, que discute com() 0 material no capitulo se relaciona com 0 Contcxto e com a quescio central. 0 capirolo final em cada Contexto e seguido por uma Concl usao. Cada conclusao usa os pri ncipios aprendidos no COnlexto pard responder completamente a questao central. Cada capitulo e suas respectivas Conclusoes incluem problemas relacionados ao materia l de cOlltexto. Preven~ao de Armadilha Estas caracteriHicas novas estao colocadas na.~ rnargens do texto e relaeionam-se com cOll cep~6es erroneas comuns dos estudantes e com shua~oes nas quais os cstudantes muitas vezcs seguem caminhos improdutivos. Sao fo rnecida .. mail' de 200 Pre,'en(Oes de Armadilha.. para ajudar os estudantes a evitar os e rros e equivocos comuns. Enigmas Rapidos Estiio incluidos ," .trios Enigmas Rapidos em cada capitulo pard forn ecer aos estudantes oportunidades de testar sua compreensiio dos concdtos ffsicos apresentados. As qllest6es exigcm que os esturlantcs tomem dccis6es com base em rdciodnio razoavel. Algumas dela... ajudam os estudantes a superar conce p(ocs erro neas comuns. As respOSIa." de todos os Enigmas Rapidos encontl"a m-sc no final de cad,l capitulo. Modelagem Urn enfoque de modelage m. baseado nos qmmo tipos de mOOelos usados c.omumente pelos fisicos, e introduzido para ajlldar os estudantes a entcllder que eles csllio resolvendo problemas que se aproximam da realidade. El es lem, entia, de aprender a como testar a validade do modelo. Esse enroqllc tambem ajuda os estudantes a enxergar unidade na ffsica. pois grande pa rte dos problemas pode ser resolvida com um numero pequeno de mOOe1os. E introduzida no CapItulo 1 lima estrategia geral de resolw;_ de problemas utilizando 0 enfoq ue de ao modclagem. Representa~oes Alternativas E dada en rase nas representa~oes aiternativas da inronmu;ao, incluin do representa( oes mentais, pi ct6ricas, graficas, tabelares e matematica". Muitos problemas sao m ais face is de resolver quando a informaQio e aprescnt'dda de rorma aitcrnativa, aicam;ando os v:irios m e todos dife re lHes que os estudante." utilizam para aprc nder. Revisao Linha por Linha 0 tcxto foi ed ita do cuidadosamente para rne1horar a c1a re7.3. de apresent.a ~ao c a p redsao da Iinguagem. Espera mos que 0 resulmdo st'ja urn Iivro preciso e agradavel de ler. xiii
  12. 12. xiv l'rincipim dt 1-,sico Problemas Em lUll esfon;o para melhord.r a c1areza e a qualidade, foram substancialm ent.e revisados as problemas de final de capitulo. Aproximadamente 40 % dos problemas (cerca de 600 nos quatm volumes) sao 11m'os para est."l. edi~ao, e a maioria desses problemas novos esta no nivel intermediario (identificado por um lnlllet). MuilOS problemas exigem que os esmdantes fu(am dlculos de ordem de gr.mdcza. Grande parte elm problemas foi editada cuidadosamente e, quando necessario, reformulada. Vcja a proxima sc~ao para lima descricao completa de outras caracteristicas do conjunlo de problemas. Notas cia internet Enderc~os uteis da internet sao forneddos como notas marginais I WEB I para encorajar os estudantes a explorar exlensoes do material ail~m do que e abordado no texlO. Em p."l rt.icular, os Contextos fornecem OPOI"tunidades rica~ para cxplorac6es adicionais na int.ernet. Apli ca~oes Biomedicas Para estudantes de biologia e de llledicina, os simbolos indicam varias areas. aplica ~6es II praticas e interessantes dos princfpios ffsicos nessas duas CARACTERisTICAS DO TEXTO A maioria dos instrulOres cleve concordar que 0 livro didatico selecionado para urn curso deve ser 0 guia principal dos estudantes para a compreensao e aprendizagem do assunto. Alem dis..o;o, 0 Iivl"O did,ltico deve ser facilmente acessf"el assim como escri lo e estilizado para facilitar a inslrw;ao e 0 a prendiz.."l.do. Levando em considera{.ao esses futores, inc1uimos muilas Card.Clensticas pedagogicas com 0 objetivo de aumentar a ntilidade do livro para estudantes c professores. Essas caraClerfSlicas sao as seguinles: Estilo Para facilitar a compreensao ripida, lentamos escrever 0 Iivro em Lim cstilo claro, logico e atraente. 0 estilo de ceno modo informal e descontrafdo almeja aLilIlentar 0 prdzer ria leitura. Termos novas sao definidas cuidadosamen le, e lelllamos evilar 0 usa dcjarlfdo. 1 maioria dos capitulos se inicia com uma apresent."l.~ao breve que incJui a discussao dos objeti'os e a contelIdo do capitulo em particular. Apresenta~o EIllUlciados e Equa~oes Intportantes A maioria dos enunciados c definii;oes imporwntes c colocada em negrito ou real~ada em lUll quadro de rundo para uma enfase adicional e facilidade de revisio. Similarmeme. equa~oes importantes sao real~adas sobre urn fundo cinza para facilitar sua local iza~ao. Dieas de Resolu~o de Problemas lncluimos estrategias gerais para a re.<;olm;ao dos tipos de problemas apresentados nos exemplos e nos problemas de final de capitulo. Esta caractenstica auxilia os estudantes a idcntificar os passos necessarios pard. resolver problemas e elimina qualquer inct'rteza que cles passam ter. Estrdtc:gias de resol u~ao de problemas sao reah;:adas com urn leve fundo cima para enfase e facil idade de localiz.;wao. Notas Marginais Comentarios e notas aparecendo na margem podem ser milizados para localizar afirma ~6es, equa~6es e conceilos imporwntes no texto. nustra~oes e Tabelas A legibilidade e a eficiencia do materia l de lexto e dos exemplos trabalhados sao aumentadas pelo grande mImero de figurd.s, diagramas, fotografias e tabelas. A aparencia tridimensional de muitas ilustra~6es toi
  13. 13. Pr"faciQ melhorada nesta edic;ao. As fotografias foram cuidadosamente selecionadas, e as legendas que as acompl.lnham foram escritas para servir como uma ferramen ta adicional de instruC;ao. Nivel Matematico Introduzimos 0 calculo gradualmente, lendo em mente que os estudanles com frequenda lem CUI'SO.s introdutorios de dilculo e de fis ica silllultaneamcntc. A maioria dos passos e mostrada quando as equa~oes oo.sicas sao desenvolvidas, e muitas vezes e feita referencia aos apendices malcmaticos no final do Jivro. Os produtos veloriais sao discutidos em detalhes no texto, a seguir, onde sao ncccssarios nas aplicac;oes ffsicas. 0 produto escalar e introdllzido no Cap itulo 6 (vol. I), que lida com tr<lbalho e energia; 0 produto vetorial e introdllzido no Capfmlo 10 (vol. I), que (ida com a dinamica rotacional. Exemplos Trabalhados Urn b'T.mde nlimero de exemplos trabalhados, de dificuldade variavel, e apresenlado para promover a compreensao dos conceitos pelos estudantcs. Em muitos casos, os exemplos servem como modelo para resolver os problemas de final de capitulo. Em r.lzao da enfase cresccnte na compreensao dos canceitos fisicos, muitos exemplos tern natureza conceirual. Os exemplos sao colocados em quadros, e as suas l'espostas com sohu;:oes Ilumericas sao realc;adas com urn rundo chlZa. Exercicios de Exemplo Trabalhados Muitos dos exemplos trabalhados sao segl.lidos imediarameme por exerdcios com respostas. E!'>Ses exercicios lem por obj etivo promovcr intcra~;lo entre 0 e5ludante e 0 livro e reforc;ar imediatamente a compreensao pelo estudante dos conceilos e das teCllica5 de resolu(ao de problemas. Os exerddos re presclltam extensOcs dos cxcmplos trabalhados. Questoes Questoes que requerem respostas verbais sao fornecid as no fina l de cada capitulo. ('.onsiderando os quatro volumes, sao incluidas mais de 500 que5tOes nesta edic;ao. Algumas delas fornecem ao estudante uma maneira de testar pOl' si proprios os conceitos apresent.'ldos no capitulo. OutrdS podem servir como base para jnicio de discussOes em sala de aula. ° Algarismos Significativos Formn tratados com cuidado os algarisrnos sign ificativos, tanto nos exemplos trabalhados quanto nos problemas de final de capitulo. A maiaria dos exemplos e problemas numericos e trabalhada com dois ou ld:s algarismos significativos, dependendo da precisao dos dados fornecidos. Problemas Os problemas de final de capitulo sao mais nl.lmerosos nesta edit;:ao e mais variados (ao lodo, ~o rnais de 1.800 problemas). Para conveniencia do estudante e do instrmor, cerca de dois terc;os dos problemas referem-sc a sec;oes espedficas dos capftulos, incluindo as sec;6es Conexao com 0 Contexto. Os problemas remanescentes, chamados Problemas Adicionais, nao se referem a sec;oes espedficas. o simbolo idcntifica problemas que lidam com aplicac;oes na mcdicina e nas ciencias da vida. Urn ou mais problemas em cada capitulo solicitam que 0 estudante fuc;a d,lculos de ordem de grandeza baseados nos proprios dados estimados. Ol.ltros tipos de problema.. sao descritos a seguir com mais detalhes. Sio fornecidas no fina l do livro respostas aos problemas impares. Usual mente, os problemas dentro de uma dada sec;ao sao apresentados de tal forma que os mais d iretos aparecem em primeiro lugar; esses problemas mais direlOS sao scguidos por aqueles de dificuldade crcscente. Para fadlitar a identi· ficaC;ao, os nllmeros dos problemas de nivel intermcdiario sao marcados com um bullet, e aqueles dos problemas desafiadores sao identificados com dois bullets. m Problemas de Revisao Muitos capitulos incluem problemas de revisao, solicitando ao estudante relacionar conceitos abordados no capitulo com os conceilos discu- xv
  14. 14. xvi Prindfriru de Fisi(u lidos em capitulos anteriores. Esses probl emas podem ser usados peios estudantes ao se preparar para testes e pelos instrutores para tarefas especiais e para discu!'.soes em sala de aula. Pares de Problemas Como urn auxilio panl as estudantes que cstao aprendendo a resolver problemas simbolicamente, pares de problemas num erieos e simb6licrn; esmo incluidos nos Capirulos 1 a 4 (vol. I); nos eapitulos 16 a 18 (vol. 11) e 19 e 21 (vol. 1lI). Pares de problemas sao identificados por tim fundo comtllll cinza. Problemas Baseados no Computador e na Calculadora A maioria dos capllUlos inclui um Oll mais problemas C~a solu.;ao exige 0 uso de urn computadOl' au de uma ca1cu ladora gr.ifica. A modeiagem dos fe nomenos fis icos permite aos estudantes obler re prcsentac;Oes graficas das ~.Iriave i s e realizar amilises numericas. Unidades 0 sistema internacional de unidades (51) e ulilizado e lll t.odo 0 lexto. 0 sistema ingles de unidadcs (sistema convencional) e usado apenas de forma lim itada nos capftulos de mecfinica e termodinamica. Resumos Cada capitulo contbn urn resumo, com revisao dos conce itos e equa-;oes imporra nles disculidas naquele capitulo. Apendices e Tabelas Extras sao fornecidos varios apendices no fina l do liveo. A maior parte do material de apcndice apresenta uma revisao £los conceitos e lecnicas matematicas utili7.ados ,no tcxto, incluindo nota{ao dentffica, atgebnl, ge ometria, trigonometria, d.lculo difc rcncia l e c;'ilculo illfegral. E feita em todo 0 texlO refercncia a esses apendices. A maioria das sC-;Oes de revisao matematica nos apendiccs inclui exemplos trabalhados e exercicios com respostas. Alem das revisOcs matemalicas, os apcnd ices conte m rabelas de dados fisicos, fatores de conversao, massas atom icas, e as unidades SI das grandeza~ fisicas, assim como uma tabela period ica dos elementos e uma lista dos ganhadores do premio Nobel. Outras informa(oes tlteis, incluindo constantes fundamcntais e dados fisicos , dados planctirios, urna lista dos prefixos-padnio, sfrnbolos matemalicos, 0 alfabeto grego e abrcvia(oes-padrio das unidades de medida, aparccem nas tabelas extras. OPC6ES DE ENSINO Embora alguns topicos encontrados nos livros didaticos tradicionais tenham sido omilidos desta ohra, instrutores podem achar que 0 texto atual ainda contem mais material do que pode ser abordado em uma sequencia de dois semestres. Par tal razao, gosmriamos de oferecer as seguillles sugestoes. Sc voce descja dar mais enrase aos topicos conte mporfmcos em fis ica, conside re o m itir partes dos Capftulos 15, 16,1 7 e 18 (vol. II), 24 (lois. In e IV), 25 e 26 (vol. IV) , a u todos cles. Por outro lado, sc lOCe deseja seguir urn enfoque mais tradidonal, que da mais emase a fisica classica, pade omitir os Capftulos 9 e II (vol. I) e 28, 29, 30 e 31 (vol. IV) . Qualquel' urn dos enfoques pode ser ulilizado sem nen huma perda de conlinuidade. Olltras op-;oes de ensino estariam entre estes dais extremos, escoUlendo-se omitir algumas ou todas as sec;6es seb'l.lintes, q ue podem ser consideradas como opcionais: Ve locidade Rt:laliv<I 12.6 Osci l a~()e$ Amortedd,l$ 7.7 Diagnuml$ de Enc:rgia e ESlabilidade do Equilfhrio 12.7 OS(:il a~Oes Fon; adas 14.7 Padr()t:s de Ollda Niio Senoidais 9.9 Rclatividade Geral 15.8 Ouu-as Aplica~ f)Cs da Dinamica de fluidos 3.6 to.l1 Corpos Rigidos Rolando
  15. 15. I'r .. f ac io 16.6 Di.~' ribuiQl o de Velocidades 20.10 Capacilorcs com Dieletricos ~1oleclilafes 22.11 ~fagn etis mo 17.7 Jo:.spedficos Molares de Gases Ideais 26.5 Aberra(,;6es de 27.9 Difra~io 17.R Pr-ocessos Adiab;iticos pam um Gas Ideal 28.13 TUllelamClllO /u' VtS de uma Bandra dc Energia Potencial 17.9 CaIOJ'Cs Espedficos Molares C a Equipani~ao da Energia Ca l()rc.~ na :1at6ia l.CnlCli dc Raios X por Cristais AGRADECIMENTOS Esta cdic;ao foi preparada com a oricntac;ao e 0 auxllio de muitos profcs.mres que fc visaram parte ou todo 0 manusc ril.o , 0 texto de pn!-revis,lo, ou ambos. Desejamos agradecer aus segui..ntes estudiosos e expressar nossa considcra(,;ao sincel<l por suas sugestocs, cffticas, e encorajamenlo: Yildirim:1. Ail/aI, University uJNurth C(lrofhw - Charlotte AJfonso M. Albano . RrYfi Mawr CoLVgf. Michael Bas.~, lhlillmily oj unlraL Horida James Caro lan, UlIillmilJ oJBrilM Goillmbia h Kapi la Clara Ca.noldi, OaJtumd University Michael Dennin, University oJ CaLifornia, f"nne Madi Dogatiu, UlIiversif)' oj unlmll-7on'da William Fai rbank, Colorado Slalt Utliwr.sif)' Marco FalUzzo, Univcsi!)' uJ AriWIlfl Palrick Gleeson, f)elawa rt Stal~ UlIitlt1"si()' Christopher M . ('.ould, Univmit)' oJSrltllhffll California J ames D. Gruber, Hflrrisburg Ami (:Omllllilli/)' CoUtgt: john B. Gruber, Slm jo." Sla(c Unir.JeTJ"ity Gail Ilanso n, I ndilma Unhwrsil)" Dieter II. HarUliann, Clemson UnivrrsilJ Mic haelJ. Ho nes, Villnmwa U"ivnlity Rogcr M . Mabe, United States Naval Academy Thomas P. :farvin, Southern Or-egO II Univenit), Martin S. Mason. Co/~ oflh, Dew! Wcsley N. ;-'·Ialhews.jr., (~!Qwn UnivmilJ Ken Mendelson, Marqllall! Unil.1t1"Siry Allen Miller. S)'mcu~ Universil)" j ohn W. Norbury, Uniwr.sil)' oj 1-'i.l(o nsin - M ihooukn Rotnuo Ochoa, Tht Colhgt! of NnuJI'TS'J' Mch'}'ll Orcmland. Paa lhliw.r.;ity Steven .1 . Pollock, Univmity oj ('AJwmdo - Boulder Rex D. Ramsier. The UniveJ7iity oj IIkrol, Charles R. Rhyner. Univer.lily IIJ WislllllSin - Creen BlI)' Denn i~ Rioux, Utliveni/)" ojWiJ"cOIuin - O$hkosh Gregory D. Scvcrn, University uJSa"ll Vi'f{O Shin'd Stanislaus. Valpamiso Unitlm'ily Randa ll Tagg, UniJlI!TSily oj Colbmdu at lJI!TIvcr Robert Watkins, University oJVirgiliia Este livro foi checado cuidadosamente em rela(ao a precisao por Ed~<lrd Gibson (California St.ate Universi ty, Sacnlment.o), Chris Yuille (Emhry-Riddle Aeronautical University) c RonaldJodoin (Rochester Institute ofTcchnoIQgy). Agmdecemos ,IS scguintes pessoas por suas sugestocs C <luxilio durante a prepam~ao das cdi(()cs anteriores destc livro: Ed"~ard Ade lson, OllioSla~ Univusity Suhash Anta ni. EtlgEwood (".oI~gt Harry Bingham. UnivnsilJ oJGaiif(]rnia, Btrkeky Antho n}' Bum.. , CaliJamia Pol)"luhnit Stalt Ullivcrsil)", Sa n Luil OIJiff}(J Ralph V. Chamherlin, Arizona St~IU lilliTinsit)' Gary G. De.Leo, I j'hi~h Universil)" AlanJ. DeWeerd. Creighton Un /vmit), Gordon Emslie, UlIi1!ersi!y ojA../aljamli III H/lI~/sVi//.e Donald Erb~l()e, United Sta /e$ Air Foret ACflIiP.my Philip Fraunc{orf, Ulliversi!y oj Mi.uouri - SI. Louis Todd Hann, ifnil,d Slates Military AcadnnJ Gerald H:U·' , j 'oorhtad Sililt University " Richard w. Hellr)~ Buchlltlf University Hodges. Iuwa Stall! Unilln"$ity joey I llIston. Michig(m Stall! Uniumity Ilerl> J acgcr, Miami Unif.lenily Lht;djudd, Rmward Commullil)' QH/.egt Thomas II . K,ii, HMcesltr Po/yt«hnic it,.llilut, V. Gordon Lind, Utah Sla(c Univm'il)' Dal'id l'vhrkO..~tz, UlIiversity oj C.ollllfCIiC111 J ohn W. McClory, Uniled Slaies ,Hili/ar} AcademJ L. C. Mclntyre, Jr., UniTiersil)' oj Ariz.olw ,.Ian S. Me.ltze r, &n.lSdnel" PolJlechnic itu/il14le Roy jI,·liddlelon, lhlivrnity oj Pt1l11sJfvania Clemen l J. ~Ioscs, Ulica College oJS)"T(lC1/~ UllivnsilJ 1~'I1·ent xvii
  16. 16. xviii f'rindpiO$ de f lsktJ Anthony No'aco, Lofayale OJllege Desmond Penny, Southern Utah Uniwnil)' I'mbha Ramakrishnan, North CMolina Siale Univem'ly Rogers Redrling, University of North Texas Perry Rice, Miami Univmit)' Janet E, Segt:r, Greightlm Univmit)' Antony Simpson, DafhoUJie Univmiry Harold Slusher, U/liven';t} of'J~$ 01 EtPaso J, Clinton Sprott, UniUi!~it)' of Wisconsin III AII/disal! Cecil Thompson, Uniwnity o/Texas at Arlillgw/I Chris Vuille, f:mbry-RiddU! Ammautirnl Uniller5ilJ Jame,~ Whitmore, Penll,lyillll1mia State UlIi1JeTJ'ity Somos gratos aos que dcsenvolveram os modelos [upp, ~U m Enfoque de Particulas para a Ffsica Introdul.Oria" e ~Fisica em Contexto," sobre os quais esta baseada boa parte da abordagem pedagogica deste livro, IQ.lph McGrew coordenOll os problemas de final de capitulo. Problemas novas desta edil;ao foram escritos por Michael Browne, Michael I-lones, Robert Forsythe. John Jewett, IQ.lph McGrew, Laurent Hodges, Boris Korsunsky, Richard Cohen , John DiNardo, Ronald Bieniek c Raymond Serway. Robert Beichner c John Gerty contribuiram com id6ias para problemas. Os eswdantes Eric Peterman, Karl Payne e AJexander Coto fizeram corrcl;oes nos problemas da edir,;:ao anterior, assim como o fizeram os instrutores Vasili Haralambous, Frank Hayes, Eugene Mosca, David Aspnes e Erika Hermon. Somas b'T"dtas, ainda, aJohn R Gordon, Ralph McGrew, Michael Rudmin, Ralph McGrew, J effer y Saul e Charles Teague. Durante 0 desem'Olvimento deste textO, os auton:s beneficiaram-se de muitas discussoes Iheis com colegas e Olltros instrutores de fisica, illcluindo Robert Bauman, William Beston, Don Chodrov, J erry Faughn, John R. Gordon, Kevin Giovanetti, Dick Jacobs, Harvey Leff, Clem Moses, Darn Peterson, Joseph Rudmin e Gerald Taylor. Agradecimento e rcconhecimento especial vao para 0 qlladro de funcionari os profissionais da Harcourt College Publishers - em partic ular, Ed Dodd, Frank Messina, Bonnie Boehme, Carol Bleistine e Kathleen S. McLellan. Estamos muito reCOllhecidos pela revis.io de prova.~ de Margaret Mary Anderson, pela edir,;:ao de copia final de Linda Davoli, pdo excelent.e rrabalho de ane produzido pOl' Rolin Graphics c pelos esfon;:os dedicados de pesquisa de f010S de Dena Digilio-Betz. Sentiremos saudade de nosso born amigo, 0 falecidoJohn Vondeling, que cralend:irio como ed itor de produtos de ensino de alta qualidade para a educar,;:ao de ciencia. Finalmente, somos profundamentc gratos a nossa.~ esposas e a !lassos filhos por seu amor, apoio, e sacrificios de longo prazo. Raymond A. Serway Leesburg, Virginia John W.Jeweu,Jr. Pomona, California
  17. 17. Ao Estudan te E apropriado dizer algumas palavras de aconselhamcnto q ue devem beneficia-1o, estudante. Antes de fazer isso, supomos que voce leu 0 Prefacio, que descrcvc as cirias caractens(icas do tcxto que vaa auxilia-lo por todo 0 curso. COMO ESTUDAR Muito frequemementc e pergulllado aos insLrutores, MComo clevo estudar fisica e me preparar para os exames?" . Nao ha resposta simples a esta questiio, mas gostanamos de oferccer algumas sugcstoes baseados em expeIiencias proprias de aprender e ensinar ao lango dos anos. Antes de tudo, rnanlenha urna atitude positiva em relat;ao ao assunto, tendo e m mente que a fisica e a mais fundamental de codas as cicncias naturais. OliLrOS CUI'SOS de cicncia que vem a seguir usarao as mesmos princfpios fisicos ; assim, e importante que voce emc nda e seja capaz de aplicar os vdriOS conceitos e teorias discutidos no texto, Os C'..ontextos no Jivro vao <!juda-lo a compreender como os prindpios tlsicos rclacionam-se a quest6es, fenomenos e aplic'H;oes reais. Nao de ixe de ler as sCJ;oes de Introdw;:ao, Concxao com 0 Contexto em cada capitulo e as Conclusocs. Elas serJo muito liLeis para moth'ar seu estudo da fi"sica. CONCEITOS E PRINCiPIOS E c!lSencial que voce c nt.enda os conccitos e principios b<isicos antes de tentar resolver os probl emas solicitarlos. Voce pode atingir melhor csse objetivo lendo cuidadosamente 0 livro antes de a!lSistir a sua aula sobre 0 material a SCI' tratado. Ao ler 0 tcxto, tome not.a daqucles pontos que mio est:io clams pm, 1voce. Deixamos de prop6sito margell.S amplas no texto pant Ihe dar espa(O para fazer i!lSo. Certifiqut.:-se tambe m de fuzer uma tenrath'a cuidadosa ao responder 3.'1 questoes nos Enigmas Rapidos a medida que chegar a des em sua le ilurd. Trabalhamos duro para preparar quest(ies que vao ajuda-lo a julgar por si mesmo quao hem voce compreendeu 0 material. Preste rnuita aten{ao as varias Prcvcn{oes de Armadilha~ por todo 0 lexto. Elas vao ~uda-lo a evil,,!" concep{oes errOllcas, erros e equfvocos, assim como a maximi7.ar a eficiencia do seu tempo .1.0 minim izar aventunl.S .1.0 longo de trajet6rias infrutiferas. Durante as aulas, tome noras cuidadosamcnte e lC'ante questOes sobre as idc ias que mio estao c1aras para voce. Tenha e m mente q ue poucas pcssoas sao capazcs de abson'c r 0 significado comple to de material cie ntifico apOs apena~ uma lcitura. Podem ser neccssarias varias leituras do texto e as suas notas. Suas aulas e 0 trabalho de labordt6lio suplementam a leitura do tcxto e deve m esclarecer uma parte mais f;'lcil do material. Voce deve minimizar sua memori7"'l,;aO do material. Vma memori7.al,;aO bem-succdida de pass. gcns do texto, das equal,;Oes c das de n, va{Oes nao indica nccessanamente q ue voce enlendeu assunto. Sua compreensao dele sera ampliada POl' uma com binaJ;;lo de h<'ibitos de estudo eficiellles, de discussacs com outros estudantcs e com inslrutOre..'1, e por sua habilidade em resolver os ° xix
  18. 18. xx Prinripios de Fisiw problemas apresentaclos no livro. Questione scm prc qlle sentiI' ser necessario esdarecer um cOllceifQ. HORARIO DE ESTUDO E importantc estabelecer um horario regular de estudo, preh':rencialmente diario. Certifique-se de leI' 0 roreiro do curso c siga 0 programa est:.lbclecido POI' seu instrutor. As aulas sccio muito mais sign ificativas se voce le I' 0 material textual corrcspondente antes de assiso r a etas. Como regra geml, voce cleve dedicar cerra de dllas honLS de tempo de esrudo para cada hord de aula. Se 'oce csci tendo problemas com 0 curso, pc(.a 0 conseJho do instrlltor 011 de ou tros estlldantes que eSLao fazendo o curso. Voce pode achar necessario buscar instruc;ao adicional de estudantcs mais expel;ellles. Muito frequentememe. os instrutores ofcree em sec;oes de revisao alem dos perlodos regulares de aula. Eimportall le que voce evite adiar 0 estudo ate um au dois dias anles do exame. Muito freqiiemememe, essa pratica Ie m rt. Sultados desas" trosas. Em 'ez de fazer uma 5CS.QO de eSIudos que dun' toda a noite, reveja brevemente os con ceitos e as equa(.oes basicos e tenha uma boa noile de descanso. UTILIZE AS CARACTER lsTICAS Voce de'e utili7.ar totalmenle as van as CaraC leristicas do texlO discutidas no Prefacio. POI' exemplo, notas marginais sao t'neis para localizar e dcscrever equa'-;Oes e conceitos importantes, e letra em negrito ind ica ellunciados e definic;Oes importantes. Estiio contidas nos Apendices muitas tabelas uteis, ma~ a maiori.'l esta incorporada ao texto, onde sao mais referenc.iadas. 0 Apendice B e uma revisao convcniente das t.ecnicas malematicas. sao dadas no final do livro respost.a.s aos prohlemas impares; no final de cada capitulo l:!Ilcomram-se respostas aos En igmas Rapidos. Os exercicios (com rcspostas) que se seguem a alguns exemp los trabalhados representam extensOes desses exemplos; na maior parte de..~..es exercicios, espera-se que voce realize um calculo simples. 0 objetivo c teMar suas habilidades em resolver problemas i. medida qu e Ie 0 livro. Esrrategias e Dicas de Resol w;:ao de Problemas estao incluidas em capitulos se lecionados pOl' todo a texto e dao a voce informa(.olo adicionaJ sobre como cleve resolver problemas. A Tabela de C.onteiido fornece lima visao geml de todo 0 texto, e nquanto 0 Indice permite a voce localizar rdpidame nle material espedfico . Notas de rodape sao utilizada.. algumas 'ezcs para suplementar o texto ou pard citar outras referencias sohre 0 assllnto em discussao. Ap6s leI' um capimlo, voce deve ser capaz de defi nir quaisquer novas grandezas in troduzidas naquele capitulo e de discutir os princfpios C suposi{oes utilizados para chegar a certas rela{oes-chave. Em alguns casas, pode SCI' necessario ir ao Indice do livro pard localizar cenos tapicos. Voce deve ser capaz de associar correramente a cada grande7.a ffsica 0 sfmbolo utilizado para representa-Ia e a unidadc na qual a gmndeza esra especificada. Alem d issa, deve SCI' capaz de expressar cada re1ac;iio importante em uma dedara{ao verbal precisa e correta. RESOLUQAO DE PROBLEMAS R P. Feynman , premio Nobel de fisica, dissc uma vez: "Voce nao sabe coisa alguma ate que tenha praticado". Tendo em mellle esta afirma(ao, aconse lhamos fortemente que voce desenvolva as habilidades necessarias para resolver uma ampla gama de pro ble mas. Sua habilidade em resolver problemas sera urn dos principais testes de seu conhecirnelllO em tisica; portanto, VOce deve tcntar resolver tan tos problemas quanto possfvcl. E essencial que voce e ntenda os (ollccitos e principios basicos antes de lentar resolver probkmas. If LIma boa pralicil tentar encontrar solu(.oes alternativas do mesmo problema. POI' exemplo, voce pode resolver pro-
  19. 19. Ao blemas em medinica usando as leis de Newton, mas muiLO rrequentemcnte um tlH~ta do alternativo que utilize considera(oes sobre energia c mais direto. Voce nao deve enganar a si mesmo ao pensar que compreendeu um problema somente porque 0 viu resolvido em aula. Voce deve ser capaz de resolver 0 problema e oulros similares pOI' Slla propria eonta. o enfoque de resolw;ao de problemas deve scr cuidadosamente planejado. Um plano sistematico e importante especialmente quando um problema envolve muitos conceitos. Primeiro, leia 0 problema varias vezes ate que eSleja confiante de que entendeu 0 que esta sendo solicitado. Procure pOI' quaisquer palavras-chavc que lhe pcrmitam interpretar 0 problema e que talvez ~dO the permitir fazer certas suposi(oes. Sua habilidade em interpretar apropriadamentc uma questiio e parte integrante da resolu(ao de problemas. Em segundo lugar, 'oce deve adquirir 0 habito de anotar a infonna(ao dada em um problema e aquelas grandezas que predsam ser encolllradas; pOI' exemplo, voce pode construir uma tabela listando tanto as grandezas dadas quanta as que sao procuradas. Esse procedimel1lo e utilizado algumas vezes nos exemplos trabalhados do livro. Finalmente, depois de tel' deddido qual metodo voce considera apropriado para urn dado problema, proceda a sua soIUt;;ao. Estraregias gerais de resolu(ao de problemas desse tipo estiio incluidas no texto e encontram-se destacadas sobre urn fundo cinza-daro. Desenvolvemos tambem uma estrategia geral de reSOhl(aO de problemas, utilizando modelos, pard auxiliar a b'llia-lo em problemas complexos. Essa estrategia esta localizada no final do Capitulo 1 (vol. I) . Se voce scb'llir os passos desse procedimento, achar.i mais taeil obter uma soiu(ao e tambem obted mais de seus esfon;;os. frequentemente , os estudanles fulham em reconhecer as limita<;oes de certas equa<;oes ou de certasieis ffsicas em uma situa<;ao particular. E muito importante que voce compreenda e se iembre das suposi<;oes por tnis de uma teoria ou formalismo particular. POI' exemplo, (enas equa<;oes da cinematica se aplicam apenas a uma particula movendo-se com acelera<;ao constante. Elas nao sao -alidas para descrever 0 movimento cuja acclerar;io nao c constante, t.'lis como 0 movimento de um cO/vo ligado a uma mola ou movimento de um corpo aUaves de urn fluido. ° EXPERIENCIAS A tlsica e Llllla denda baseada em observa(oes experimentais. A vista desse fato, recomendamos que voce teIlle suplementar 0 texto realizando varios tipos de expcricncia ~colocando a m.-io na massa~, sc:ja em casa, seja 110 laborat6rio. POI' excmplo, 0 brinquedo comum SlinkyH! e excelente para estudar a propaga(ao de oudas; uma bola dependurada no final de lima longa corda pode ser utilizada para investigar 0 movimento do penrlulo; varias massas ligadas nas puntas de molas on ebisticos verticais podem SCI' utilizadas pata determinar suas naturezas elasticas; urn velho par de lentes Polaroid e algumas letHeS comuns e de aumemo descanadas sao as com ponentes de virias expericncias em optica; e a medida aproximada da acelela<;:lO devirlo a gravidade pode ser delerminarla simplesmente medindo com um CrOll(nuetro 0 tempo que uma bola leva para cair de uma altura conhecida. A lista de tais expelieneias e infinita. Quando os modelos ffsicos nao esGl.o disponiveis, seja imaginalivo e rente desenvolver seus proprios morlelos. Esperamos sincemmente que voce rambem ache a tisica uma experiencia emodonante e agmd,-:vel e que se beneficie desta expcriencia, independentemente da profissao que escolheu. Bem-vindo ao mundo emocionante da fisical o cienti,ta ndo estudo. a na/:UlFUl porque ela i ulil; ele a estuda porque [em prazer nisso, e ele tern prll7.£T nis.'o jJorque eln i: linda. Se a rwtu11JZI1 nav josse lindn, niW valetia a pena conluxi-w, e se new valesse (t perw conlwciW., niio valeria a pella viva. Henri Poincare Estudantc xxi
  20. 20. Um teenico opera 0 maquinario utillzado par a produzir chips de circu ito d e arse nito de galio, cuJa operae;:ao e baseada nos principios da fislca. (C.orltsiu nil Tlll l? Urn Convite a Ffsica Isica, a cicncia fisiea mais li.mdament.,I, lida com os pr'incfpi()~ basico~ do universo. Ela e a fun da!;ao sobre a qual esliio baseadas as outras ciencias aslronomia, biologia, qufmica e geologia. A bcle~a da lisica est.a na silll plicidade de Slias leorias fundamentais e na maneird como um numero p equeno de conceilos, equac;:oes e s upo.~i(,:oes h{l5icas podem alterdr e expandir nossa yisao do mundo ao nosso redor. F Afisim classicn, descnvolvida antes de 1900, inelui as teorias, os eonceitos, as leis e as expericncias em meeanica classica, termodinamica e c1etromagnctismo. Por exemplo, Galileu Galilci (1564-1642) fez contrihuic;:Oes significativas para a mccanica chissica pOl' meio de seu trabalho sahre as leis do rnovimento com acclera(;to constante. Na mesma epoca, Johannes Kepler (157 1-1630) uso u observac;:oes alron omicas pard d eSellvolver leis empiricas para os movililento~ dos corpos pianet<irios. ContudO, as contribui(,:Oes mais import;mtes para a mednica cJassica foram fornecidas por Isaac Newton (1642-1727), que desenvolveu a mecinica elissica como uma leoria si~tcma tica e foi Ulll dos criadores do Gilcuio como uma fen"all1enta matem ~"irica. Embora t.enham com.inuado no seculo XVIII dcscnvolvimentos importantes
  21. 21. Um Con viI e na fisica cbissica, a Lermodinarnica e 0 cleu'omagneLismo nio foram desenvolvidos ate a parte final do seculo XIX, principalmeme porque os aparelhos para as experiencias controladas ermn ou muito rudes ou entio nao esta~dm disponiveis ate cssa cpoca. Embora muitos fenomenos eletricos e magneticos tenham sido estudados mais cedo, 0 trabalho deJames Clerk Maxwell (l831-1879) forncceu uma teoria unifieada para 0 eletromagnetismo. Nest.e texto vamos tratar as varias disciplinas da fisica dissica em se~6es separadas; con tudo, veremos que as disciplinas da meta.nica e do eietromagnetismo sao basicas pard todos os ramos da fisica . Uma revolu~ao maior na fisica, chamada mualmente de flsica moderna, comec;ou proxima ao final do scculo XIX. A fisica moderna desenvolveu-se principalmente porque muitos fenomenos fisicos nio podiam ser explicados pela fisica chissica. Os dois desenvolvimentos mais importanLes na era moderna foram as teoria.~ da re!atividade e da mecanica quantica. A Leoria da reiatividade de Einstein revolucionou complctamente os conceitos tradicionais de espa~:o, tempo e energia. A leoria de Einstein descreve corret:.l.mcnte 0 movimento de corpos moyendo-se com vclocidades comparaveis a ve!ocidade da luz. A teoria da relatividade tamhem mostra que a velocidade da luz e urn limite superior da vclocidade de urn corpo e que a massa e a energia estao rclacionadas. A mecanica quantica' fai formulada por illlimeros cientistas ilustres para fornecer descric;oes dos fenomenos Hsicos em nive! atomico. Os cientistas trdbalham continuamente pard rndhordr nossa compreensao das leis fundamemais, e novas descobertas s,o feitas todo dia. Em muitas areas de pesquisa existe uma grande sobreposic;ao entre fisica, qufmica e bialogia. Evidencia para essa sobrerosi~ao e constatada nos !lOmeS de algumas subespecialidades na ciencia - biofi~ica, bioqufmica, ffsico-qufmica, biotecnologia e assim por diante. Iniimeros avan<;os tecnol6gicos em cpocas rccente~ S;IO 0 resultado de e~fon;os de muitos cicntistas, engenheiros e tecnicos. Alguns dos desenvolvimcntos mais nota"ei~ na segunda metade do seculo XX sao: (1) missoes espaciais para a Lua e outros planetas, (2) microcircuitos e computadores de alta velocidade, (3) tecnicas de imagem sofisticadas utilizadas na pesquisa cientifica e na medicina, e (4) varias realiza<;oes notaveis em engenharia genetica. 0 impa<.:to destes desenvolvimenlOS e descoberta.~ na nassa saciedade tern sido de fata grande, e descobertas e desenvohimentos futuros serio muito provavelrnente emocionantes, desafiadores e de grande beneficia para a humanidade. Para investigar 0 impacto da fisica sobre o~ desenvolvirnentos na nossa sociedade, usarernos um enfoque crmlRXlualpara 0 estudo do contelldo deste livro. funci/JiM de Hsica c dividido em oito Colltexto:" (distribufdos nos qualro volumes), que relacionam a fisica a questOcs SOCi;lis, a fenomenos naturdis, OU a aplica<;oes tecnol6gicas, como esbo<;ado aqui: Capituloc_ --'oo .. "' ' Conc'oc'c°'--______ _ _ _ 2-11 Missiiu para Marte 12-1 4 Terremotos lfi-18 AquecimenlO Global 19-21 Raios 22- 23 Vdculos de Levita.;:ao Magnetica Em Busca do 1l"tanu 24-27 Lasers 28-31 A Conexao C./ismica As conexoes fornecem urn enredo para cada rclevancia c motivac;ao no estudo do material. se~ao do texta, que auxiliar:i para criar a F i ~ i c a 671
  22. 22. 672 PrilldpjQJd~Fisica o l"ckscopio blYdcial Hubble nos CSI;giOS tillais d., romlnu:ao alllcs ,10 la ll<,;am.,mo. (LockJwd M'slik:s and Spau w .. [",;.)
  23. 23. Um COll v it e ; Cada C..ontexto comc(a com uma questao cndml, que consislc no foco para 0 estudo da fisica no Contexto. A se<ao final de cada capitulo r: uma "Conexao com 0 Con tcxto", na qual 0 material no capitulo c explorado tendo em mente a questiio central. No fina l de cada Contexto, uma Condu~o de Contcxto junta todos os prindpios necessarios para responder tao complctamenl.e quanto possivcl a qucstiio central. No primeiro cap itulo, invcstigamos alguns dos fu ndamentos matcmaticos e das estraLegl.as de rcsoluc;ao d e prob lemas que serao u tilizados em nosso cstudo da fisica . 0 primeiro Contcxto, Missiio jJrlm Marte, foi introduzido no Capitulo 2 (vol. I), on de os prindpios da mccanica c1assica sao aplicados ao problema de trdnsfcrir uma na'e espa· cial da Terra ate Marte. Fisica 673
  24. 24. Raios R Olios ocorrem em todO 0 lIlundo, mais frequ entt:mcntc em lIlguns IUlfdrt:S do que em outros. Na "'0- rida, por c)(emplo, ocorrern muito freo qflenlc m c llIc tempc.stad es de mios. m,t~ da.~ siio raras no sill dOl California. Come~iI' remos CSIC Comexto danclo uma olhada nos d ctalhes de urn flash de mio, Oll rehim· o rago, de lma mandra quaii/lltiTifl. Ao no~ aprofulldarmos no Contexto, retornarelllos a esta descri(ao e lht: acrcsccman:mos uma estrutur,1 rnais quanutatil'a. Considcrarcmm em geral urn raio como st:l1do uma d~<;(:arga cleuici que OCOfn: enU"C: uma I1m'em cincgada e 0 solo - ou seja, uma c n Oflllt: fdisca . Mas 0 r,lio pode oeorrer e m qualqU£r situat;.iio em que uma grande carga elt'!Lrica (que disculiremos no C1pflulo 19) puder caWi<l1' unl rornpimcnlo didcu'ico do al", incluindo tcmpesl<ldcs de neve, tcmpestadcs de aI-cia e vlllcflC5 em r:rn~iio. & cQllsiderannos os laiOS associados <;01TI as nll't:n~, obscnwl1os d(:scarga dll Iluvem .. C o () Durante uma erup~ao do vufeao Sakurajima, no Japao, rafos sao predominantes na atmosfera earregada aeima do vuleso. Embora sejam possiveis raios nesta e em muitas outras situacoes, neste Contexto estudaremos os raios famifiares que ocorrem em uma tempestade, 1M. ZhilinlM. Newmanl Photo Researchers, Inc, ) 674 para 0 solo, descarg: de llllvcm par.lllUVem, dcscarga intcrna a Il11Vem e dcscarga da nil nT1 pard 0 ar; Neste Conlexlo considerarem (~~ someille a desclirga descrita mais fre-q uentcmellle, eta IIUvem pnm 05010. A de.scarga interna a llU"em ocorre de falo mais frequentemente, mas !laO e 0 tipo de rdio que observamos regn)annentc. Como um reliimp"!{o ocorn~em um tempo nmito curto. a estrunH'a do processo fica escondida d a observac;;io humana normaL Urn I'l!liimpago C composto de inumeras descurgas tfilricm individu,lis, separadas por dezenas de milisscgund(l_~. Um Jlumcro tipico de dcscafg-d.~ C 3 Ou 4, embora tenham sido medidas ate 26 descargas (COlli uma duraylO toral de 2 segundos) em lim rehi.mpago. E.mbora urn ra io PC1S5<1 parceer como um uniro C'cnto repemino, cle cnvolve divcrsas etapas. 0 processo come~a com um rompimento diel(~t1"ico no ar peno da nu'em que resulta em tlma coluna da carga negativa, chamaua de C(/"I1(l{ /In:cunor de Ms' cargu (5tepptd Ii!Ufilrr no original eill Ingles), indo pard 0 solo com lima vdocidade tipica de lO-~ m / s, A cxpre...."i.o 51tfrP'.d leadeneferese ao fato d e que 0 movimento ocorre em passos separados com comprimento aprox.imarlo de 50 m, com urn atraso de ap roxima' damente 50 IJ.S allle~ d o proximo pa.<i.<;Q. Esse processo em e lapas e de~;do as vdna~iies aleat6rias nil dCllsidade de eletrons li, nes no <lr. 0 canal precursor de descarga tern apenas uilla pcquena Iliminosidade e nao e 0 rclfullpago brilhame que idcntilica. mos ordinariamcnte COIliO scndo 0 I":lio. 0 diametro do callal d e carga transportado pdo canal precursor d e de.'iCarga e tipicamente de v.irios metros. Quando a ponla do ednal prttuP.IOr de descarga sc aproxima do $Illo, pode iniciar lIm rompimento dic!ClI"ico no ar pr6ximo ao solo, freqiientcmentc na extrcmidade de um eorp<> ponUIdO. E.m cOllseqiicncia. urna coluna da carga posith~1 come~iI a subir. Esse e o eome~o da rkst;arga de rellJl·I1f1. De 20 a 100 m acima do solo, a descllrga de retorno encon' lra-sc com 0 canal precursor de desc:arga e temos lim cuno-circuito e fetivo entre a nu·em C 0 solo, Em conscq u~nda , eletrons descem para 0 solo, t:om uma cxtremidade principal da dre nagcm de e1etrons subindo a 'elocidade.s que a lc~m ~am a melade da
  25. 25. Os raios conectam clctricamente urna UU'em eo8Olo. Neste Contexto, ap~nde",mos sobre os detalh..s de urn rdarnpago como esse e descobriremos qU2llt05 .-aios ocorrem na Terra em urn dia tip ico. (paul e Lindamarie AmbroselFPG International) • vdocidad e: d Ol IU7_ Is.';(} n :'suha em uma corre llte d t:: lli<.... muito gr.mde: atr.t·es.~ndo urn (anal COlli um di.lmerro mcdido em centimeU'os. Essa corrente devada aUlllenta rdpidamente a temperatura do ilr, iouizando alOmOS e produzindo 0 reW.ll1pago brilhante guc associruILos com 0 raio. Os cspCctros de: cmissao dos raios moslr.tlll Illuitas linhas es].>t:c tmis do oxigenio e do niU'ogeuio, os componenlt:s princip;tis do ar. ApOs a rlc.'lCarg.1 de retorno, 0 canal condutor retcm sua condutividade por 11m tempo cuno (medido em delenas de milis-segundosl. Se mais carga negativa da nll'{~m disponivd no tapa do canal condutor, cssa carg.t pode descer l'e5ultando elll uma nova dcscarga. Neste caso, como 0 canal umdutor CSta Maberto~, 0 canal precursor mio sc mO'1me nta e m passos .owpar.tdamcnIe, mas desce continuamcntc c r.tpidamentc. Par essa 1-a7,;l0, c chamado de til'SCarg(1 UQ fongo do cQ/1Q1 iOllizadc. Nov.tmemc, quando essa descarga ao longo do [".tnal ioniLado se aproxima do solo, e iniciada uma de ..carl5.:1 de relorno e ocone um jlash brilhantc de luz. Logo ap6s a con en tc tel' atT<i'cs.~ado 0 canill condulOr, 0 ,I' e Lransfonnado em lim plasma a uma tempc:J1ltura tipica de 30 000 K Em corucqiicncia disso, um alUnento repc:ntino na pressao ocasionando uma expansiio r.ipi da do plasma e gcrando lima onda de choque no g-'<IS 30 redor. F.sta c a o rigem do troviio associ ado com a s raios. Tendo dado esse primeiro p.osso qu,,-lIirati'0 na comprccns:.io dos mias. amos agora buscar mais deralh<.'S. AptlS illl'esugar a fisica dos rains, respondercmos ; 1I0ss.'l. quesl.<i.o central II" Esta fotografia mostra urn raio, asslm como as componentes individuais da descarga eletrtca. o canal brilhante represoota a descarga eletrica de urn raio em desenllOlvimento, logo em seguida a conexao do canal precUl'SOf de descarga com urna descarga de retorno, com 0 canal tomando-se coodutor. Podern ser vistas vSrios canals precursores de descarga no topo da 101ogra1la, ramificando-se a partir do canal brllhante. Esses canais precursores brilham manos do que 0 canal brllhante, pois ainda nao sa conectaram com descargas de retorno. Poda sar vista urns descarga de retorno logo a esquerda do canal brilhante, subindo da arvore, buscando urn canal precursor. Uma outra descarga de retorno bern fraca pods ser vista saindo do topo da torre de potencla no lado esquerdo da fotografia. (0 Johnny Autery) h" Como podemos determ';nar 0 mimero de raios que ocorrem na Terra em lim dia tipico? 675
  26. 26. caprtulo 19 Em uma miqurna <10> "'t<>o6pia$, um. Imagem o;IQ o;IQ(:IIl1tfl(Q criog ....1f ,,,iood. em urn eitindro ,e •• Slide de .. Ifni<> n a _ de urn ~riio do .,..'V" ... ,""" po.iti ••. M pank:ula. <Ie urn po) preto chamado """0' ,..0_ um. c'fIIO ... ~. 0 ~an 0. do .!rald"" "". local. e.o ...... 0 cll.. _ do Imag"", O<igO>oL 0 ton .... f tran"oridc. ,.nlio, p ..... UIfII tot"" "," !><>pel em b..",<><>. que ""fTC911 uroo ""''lI'I pg._ mrilll, fwm.""" urn. cOc>i' do docurnon<o Of~naI. (eM';" I). II""""') .!h..n .... iO do C .... it ... ., 19.1 Rel"icl.o Hi>l()""" 19.2 PJ·oPJj~d. d •• d .. C... ~., ~1c'tJ"iG<, For~as EII~tricas Eh~tricos c Condu,or<. 1 9.~ lrola~. o> 19.4 Lei de 19.~ 19 .6 ' ... mpo. Ek,riw. r..;uh .. d " (' ''"'po I!.lc'rrim ' i 9.7 MO'Ilmento do Panlc"i.. e Campos '" " I()m~ C>.rrepdas em WlI Cam!", Eko;«) Unif01me 19,6 ;·Iux<> I'.h'nico 19.9 Lei de GoWl> 19.10 .~pli~o ~. a l.ci <k G."" mm ;bl , i~Oes Sime!fi= de earl!" 1 ~_l e md""",,, om 1:9"; lfhri,, U ",r<"t:tico 19.12 ("-0,"''';;'. C(.m " ("">t1tex~. - 0 C; mpo I:'.Ictrico A " n D,.f~ ,; co ik>u"", '" Sle " "primei", d~ lrh (apinr)o. "",t>rc ,/;t.uW!d~ Voc_~ p, m-a,,,,imen te estii Familiari,"do com de;[O, clel';W', tai, Will" a "dercneia e,citic. en"'" P"I"" d~ ronp. rclll",ida, da <tca dc>ra. E p<>de ,.",hem ",tar fam ;liari,.,do 00'" a fai",a 'IU~ .ake de >eu dffio"c> loeM <1ll UJ11.1 ",,,,,aneta tlepoi' 'l ite andou ..,b", lim tapele, Muit" de sua ~xperkncia diaria b_ia~ em aparelho. qu~ r"nciona", com Ml.'gia traJcicrida a des pOT mcio da l1'.n"nt.sJ.o el""'ic~ Fomc.:jrl., pel~ wmpanh;a de Ctlcrgia d<' 'rica , capitulo com lIma ""';"'0 de rug""'''' ,1"" p'oprieda(l.. bcioic"" da for~.' .I~lro,(jti'"" '1'-'" intrOO",; moo no C.api,,,lo.5 (,,,1. Ij. bem co",o de algn"'as pmpried'de, do <~rnpo e!<ilr;w ,..."",;ad" "'JII' pank" I" eMl'egacias ~'taciolla­ ria •. No:;oo e. ludo d. deU'' '''f"lic" coOHinna. "nt~". CUm" conceil" <k tim c~,npo el~lrico 'lu~ e,ui a",odado a tlm~ di"ri"',i~a () mnrimt3 d ~ carga ~ 0 d"ito d"""" cam po ""bre OtlU1, partk "la< carregada,. N.""," .t".1<1o.. al'l icarcm"" o. m' ...... I'" de ltlna particub em urn <."'1'" c de lm<t parlkula <ob a "(at> de lima fon:a resu l· ,ante I-i< ... em capi'ulo. an'cri""". E E<," <0"'"("
  27. 27. <,,~I'ITL~O I I' '" 18.1 • REVlsAoHISTORICA '" Ie .. da cl~tr;cid~dc ~ do ,";.g"~'i,mo d~"''''I'''n l>.1lI lII" p"pd (~ntr.1 na Of>" .... 0;.>" d . ap",dl"", ..us (Om" ,";<lio,. ' dc" j..:..:•. mo'"",' dftriw., «)" ' f>"udo'"" a(~lel'~dor~ de panlc"l ... d" alu " nergi. ~ r,,,, uma "'ri e d~ ,li'pOIi'i",. dct.rCoi... C"" ,.....,..,. n;> metilCina. Mai. f""da.tne,,~ I . "''''C,all{l), ~ I) f...u de 'lu~ ~. Ior("" 'n,~r.oIOmic,," ~ i "I<TI1lOI«"I~~ "'"P"""'",is ~la fun"",c:io doll .oli<k>s " do< liqwdoo lem orig"'" de {ri"", ,JeD) d"-,,,. (0'(10> OOmo '" que empurnrn 01' p'L",un <II (<.>rpo' CII) (0010 '0 c a f"rl"- d:i,ti<~ em "!It a mola ,u'g"m cbs for{a. ciotti""" no ni"d a"'> mi ~..... Docum~o"" chin""" ougcrem que 0 ""'Sue"""'o j:.i era (onhcddo I~>r 'OIl<> de 2000 ~.C 0. ~p aoliS"" "b.e,,~ fen';""""'0;1 tlenicos" m:l/tl~lic~ P"'" ~ ''e! me otc por "~Ia ok 700 ~ .c. .:1<-, dew"!)';""n que um I"'!b(;o dc amh u , q".",do fri(cioll,do, p."b~oo l'a1ha on ]>Cow;. i ~x;",ti'lIdJ de fon;a. "'as".{i",,, fiJi (o"hecido.. 1'. ...,' d ... o""'"-~~",,, d~ 'I"e;lf, p,or"" d" nm. 1'",,1,... nat ur~ 1 ~h,," ~ _grurlla (r ...,o.) c."", au" iu... p<"J<, r"rro. (0 {"n' t<, ,fitnr~,..-m <b p;!la,r .. greg;. I""" 0 amb:lr. tldttrmo. 0 lermo ,-em de M~ tla C OSt:l da T "rquia. oode a ' nagnelila (til co((mtr... la.) Em 1600. 0 mKIe. Willi,,,, Cilbcn de:K"hriu 'lue a detlili(a{30 n:m c.lli,.,. lim;,. M ao ~mb.II. '1M' er~ "m icnbmm o gel'oJ. 0. (i~n'i"aj C(l n 'illll~t ... ", elctrilic-~ IIdo v:ino. (0"...", induiutlo phn ....... f"'''M.>.l>! Ao ">q)t'TiC I>(W ",,:o li ••>d3" por (, la rln c..ulomb enl 118.'> wnli,.,,,ar.un a ""' do i",,,,o<.> do ' luaU.ado p.1r:1 a foq;o 1 "",f" « " -rt''"' d~ { . o> rntK.... "'pcn~. "' i ~i ,ladc e na I',irneirn IMrIe do $&,,10 XTX <>, (i~ttti'ta l el13btlecc ra!l1 'P'c a d ... ° magnetismo sao Icn,m,el1(>< rcl.:odon..do•. Em 11:121). ll.ons O",.ted dctoobriu 'I"" onl:l agulha de bo......... que ~ tll~"""'udi qualtOOcolocado. peno de urn:.o cO<, ,,,,,,, eli'ri ..... Em 1831. Mk~acl r "r:lWr "" Inglat"n:I e. "n,,,h"""3IL1eo,,,. Joocph Il~"'r "00 f , ,,,dOl ~_ mll,,,,,,,.,,m '1"". quando ... n'()o.'~ utll flu ("",Iu' ul' ]>Crto 'e Itm (,mi (on, de n;an~;'" c'Iui.--.lemc. '1',.,,<10 um (ud ~ m,,,id ,, P"'W <I" 1'0 (ondu,,,r), U"'" COr ... cI~lfjca" OI"':"""{3 no Ii.... Em 18a, J :un~ Clerk ~f.t~ ....d ll".!,eolMC n"""",, "t.w: ,,~ e~ ... t)uU'Ol f .• '". ~ritncn"';" par.>. fonnubr a< lei. do d etro""'8",ocllimQ (a"", ... eun hc(,,1IX'I 10,,)<=. Logo d~1"'" diYo (por ",1 de 1888) , Ilcinneh H(H~ ,,,rificou '" p""...oc. 1:1 de Maxwell ["oo ...;"do on,t.... k{rOma~lIelic ... no labor.,,,rio. u.. dCKobcrta fGl &eg"id. por ,IcMl"l>ram"ttlUl pr1ri(OO tOlll tt " r.dio ~ ~ lel..." .O. As c:o ..tribui<;i>n de Mn .....,11 I..... ~ (;~ncl . d elro"'a!!'I':"'''' fo r:o, u " .pedal· "'''''C'' oignifie,&,;';u "",'1'''' u I.. is rormltbtl;u"o baoJ .... p.>" lodiu U (onun de fen",,,,,,,,,,, d .. ' ronugneti( .... Seu ,.. b..Jho ~ cOr'Ilp"r:h,,1 em ittII'O<1."n";o " tkKol>ena por Nc,,·"'tt tl .. ld. do ,,,<.Wimem o ~ (L~ {nI';;' tla g .. vil~ ~~o, 'I''''''' ,,10 ,n'., 19.2 • PROPflIEOAOES OAS CARGAS ELErRICAS In ume , .. ~X l",rj(,"<ia, ..,mplc. d .. ,noltSlr.. ,1I a ."i>t~n(i~ d" (mc'" r l ({ rot l~li .... POl' exemplo. ~I""'" p""",r " ", 1'.:..1.. em ••,,' c~l>el<>. I'ud: I'~ .. ilicar; que (I p"n'. alnlil""'lu' '''.... peda( {K de 1"'1><:1. A r" ...;a dcu un.itico de •• ta<<.> .. frc." ",,,IC"'''''' Ie 11''''' ba>;~mc 1"'''' ",L'I'"ud~r 00 ~ot. 0 It...." ' " "rei'" ()Cor,.. rom ""troO "'~lcri"" .. ri•....t.:>s. WI como 0 ,'idw 011 a oorr""hL Uma 01111" "xl'"ricn~ia ""'1'1... e atri.ar 11m 001.<0 inlladc> emu ti. " " (om ""u abel" (Figur:t. 19.1). Km um dta ."w," h, I;,,, ~lri~w" Ik.,,, ~Mrido'" 1' ~ 1"1 ,d c de U", (omod". f,eq'oc,,(emctUe por lIon <_ Q uando ... materiail Ie comport:lm d"""" manein, di,~ 'lit" ~ ~ detri<"",,,.""- v<><~ pod" dar " Jell ""' po ° l',"".___ 1>010......... _<H.,,",,_ o -'~ <ler.rC.t:n,-,"'e ........ ~"- ""... ) C>J.&o..,. _ _ ~ . n
  28. 28. ,., C"'''8.d.:"~_:'"~'~ ~ "';~~~~~~·~·:'~~:~':,~o~,:':';'~':'~"~~:':'~~,~,:~~,:,,:.~"~, ;: "" "" ""'1< <Ie ~ , uma carg:. d e rrica an<lando sohre urn lap" t.e lIe Iii QIl de,lizan<l("'c/um """"nto carro , 'oe~ pod~ ~ntio .~n ti.r. ~ remo""r, a c>r~p ern ocu corp<> totando I",,," "tnt~ "'''' o"lm pe<soo, Na. CQl1di~()e' " pwpriad.,. nOla h'..:a , i",-d pode .er ,'i,ta quando voce OL 1000d c um pequeno ehQC[u~ ~ ",n(ido p"i"" <ina. PC""""_ (Eo.. e.xpericncia hmeiona mdhQr em '",, dia ""CQ. PQrque a umidad~ ~xce ... i,,, no ar pode fo rn ecer mna ,ia para .. carw.l ~s.capar do eorp<> ear"'gado,) Expeli;;nciao dem<>"","", """bem ql'" lui doh (il'o, (I~ ( arg:a .Mtrica. choun'L<l.;" por lIenjam ln Fmn klin ( 11{)6.179O) d ~ P"'"iliVll. c negativa. A Figum 19.2 ii""tra as jnte ra~Oes elHre a, ,I"", carga .. l! ma 11..",<" ue oorracha dura (ou de pki,ti{o) que «:ja lriccionada Oorn peli~. (<>u urn ma(e ria1 a£n1ico) ;; I U>J>cn", IX'f urn fio, Quo>ndo 1T ha, (e <k vidro quc <cnh., . jdo fri<donada £om.eda e apmrirnada do mo lI "'t~ de bo,'meha. "'''' e atmida para a h"" te de ,idro (figura 19.2a), S. for em apwxUnoilla, d""" h.J.ot<"> de oorm£ha ear~" (Qll dna. ha"~, de vidro cartega. <I .. ) , como "" Figu ,~ 19.2h, " for~a elHr~ el.. de n :puhii<>, E..,., ob!ler'a~1o demon" ", quc a borra<ha e 0 "id", lell1 tiP<" dire...,,,',,,, da cargd_ U,"mo< a con· "" ",",0 '''ge o-i([a per Fra,, ~1in; a carga c1eu ica no ha"e de ,in", e chamada de [>O'ith'il ~ a da ha 't~ d~ borracha, de ncg."i~''- Com I""", nelS"" obs.:",.~;.-x.". condll'''''''' que aotg"" igloais "" repclem e <:orgas dlf",,:ntes "" atracm. Sa~mO<l que ..,mente doi . lipo, d< c~ .. ga d~rriGI ~xj.tc m j")<que tod. a c ~rga de,co"l1~d d" que OC ob"""", experi,uentalmenl~ 'e" a(raida por lima c~r!p 1>o>ili,-" C "'f>ClidJ ~llfilX'm pela ~arga llcgati>-~. N'un~a foi ob'len",de> um corp" ~'J']''1!:Jdo que fo,,~ rep<:1ido 0" .>(raido tant() pm uma ~J]'ga [>0';(;'-' CO"'" por lima carg"d II e~"th", 0",... ca... w :ri..-ica irnportame da carga .Ierne" c que a catgll ......,J"""" em wn "'1ema isol,.Jo .emF" ~ "".....""-ada. fua c a "':"'00 da '-"IX" denie" do modelo d~ ,;uema ;solado, Os m0<1 <:1"" de s;,; ,cma; isolodos remom inu-oduzidos prit ueiIam",me no Capitulo 7 (vol. 1). no qual diKutim"" a '-""""".(10 de energia; """"'" ago,.. "til prindpio da "", .... rvarao <fa carga eletriat pard Ill" ,j,trtUa isoL'l<Io. QI1.wdQ doi, corp<>< inicialmon.e n~'''"", ,a,l C'drreh'1ldos a<> ser el!fregad.,. em,.., 'i. ru;o c criw. carga no proctMO. 0. corp"" lomam~ carrcgadm porqu~ <Ii1rom...w in"'sftnAo, d ~ 11m d~ P... ;n!orrn>o<;M ..,.,'" Beojamin F""l<!iI'I, ~. ~bnry.thinkque.l. orgl:.!:221i41 e fig ..... 111_3 Qt",",o lit,,, > <Ie ''''''" ~ "i,_ "", ,'",,'r.. " ",.0 ",... b, . rr,~,,~ fmd<.» d",idm 1""". ",,.0, ' " '''''~ n .. .. , , . ' ..... ,,~,,~ I~~ e m", ''''lI'' "_" """,m .,~'""'" ,'.,"" "'1>";'" i .. ,j" .. " ,.., "''1<'' jx";li.a ; ~ u .. I' dd"..J.o n . ), "'~, . AI,-", d ••• " ,,"'", '" I c,",~<oo,", '''''It"''''.' em qU.Hti<Ucb ru<cr","", .. ",... '"" "''lx~ .<i" " , '"' ~ 1, ,,~~ "', " -,,, I"" "."'~
  29. 29. ro'I''' 1~1r.l () 0,,1t<>. Vm corpo ir'"h. "lila quantidadc de carg;o "~S"lil;l. dO'! elenxm, lnlt.r~d,I, .. pat. ~~ en'lu.nlt) 0 "'11m perde uma quanUWd.. irlual d~ ~arga negati· '" c. oo'""'I,,,,mc,,,,,o!e, Ii"" com cal"g"" poo;iti". 0 ~(e"'a i>oIado de d, ..... (0!p0f. nenhwn> ~ <Ie: CLIp ""orr" pol in'.",...;.jio dl fimltd ... do sbto""'. A Uno ",ud;u>ea f q..., a n,""" foi """","elida entre"" d,," "",mbtos do ..... ~m.... I'OT ~xc",I'Jo. 'l'wtdo tuna h;&~ de 'kIm ~ friccionada COO" 5C1.b. como "" .->gtor;I 19.'.;o...w ganha urna carga cup. ~Iud~ ~ 'g".:II:I d:o Qrga JlO'lu,,, "" ha<!., 'k 'illro I""'lue ~Ikron. n'1l:.,.;..·."'~m., carregado> Joio u""..-<1idol do Wlm 1"'''' a ocd;,. Do """"'" modo. q",moo ~ bon=ha <- fricci""acll rn", pelio;<!. dCI"'''' "'" lrAI,.t~,id". da pe);,;-a !"'''' a hnrr~cla. Urn wrpo n<io , .. ~do (on ,bn urn niim.oro t nO'11lC u( cielron, (da wd"m d~ I~·'). Intretanto, pll!"A ( a<Ja dc",," 11~lr.UI" "'mbem .,,," pt=nle um prolQ" l",,,tiv.u,,.mc (.negad,,; 1"11'>, "'" corp<> ,,.;., rtpd<:> '''''' 'em "",,hum, <a...... rtsHIt,,,ue ,Ie lIm 0.. de o<'tru .hll. "m.' ""r. ~lYliHc.to '" OE ...RN_U.... 10.1 c.tI_lgu.", A ... ~ ',,,,,,,.. 'II"'" • ~ _01....-_"'" ~~dwo,~ <_ o_~; 0IIf<1.C>II ... ""g.ou." _ _ ... do .... ~"",.......... ""'0 0 ...... hau", 00..... Uo car..,pd .... ( om Ci<gao OVO'''''~ ~m $ '~ .,xlUmidiidco. s. ... ("nlfe» " o monad", d~ man,,;r:o quc .... sejam Ii"., ""'" giro.. e, ~n.ao, (oloc;od:< n~ pmi<";io .....,.moda n. figm" 19.-1. 0 plano ,b .013(:0 d"" h""e> f pla"" «" 1"'1"'1. As h""e< ,,""'""~," a """"'. posi~oo '" [""'Ul Iilleiraw.. lU~ dwo<adaI e depoi, lihcrn«., ; Cuo •.ao f~ IOrnern. paTa '1u" p(l,;I(~, (,<>cs) in10 ,no"",...,,) A(I) configllr;l{lo( .;be_) fi",,1(ai.) 'epr.·"",,,a (m) ~qnilih'-;o ~ ..~'",11 =, =,' =" ° ('.onduao,.., ";'0 n""cria~ n<)3 qua i. at carg'" dCtri~a. M: d ••I<x:am de m.ndra rdlli'-..memc livre e Q' iwl""tcs ..ao ma,~'-;a;. noo qu."'" carga> "leu-iGo> uio ... de<loum I;.,,.~m~n'e. M al~lUi< comoo ,,<ito,. bu. r.ocha e a Luciu:.ao isolamn Quando raio rna .... ouio Po n rr.pIoo pm ;unit>. ~I"''''''' a ~.-.... frkrion:odo 'ornll...., Cl r~. e a ca'l" ni<> .<:nde II d""ocar-se ul .... ,'egiOt... do m:It~rb1. Ao (on~rio. rna .... .w. como" colxc, 0 alum!n,,, e """'''' olo bono « " ,,jutorQ. QI""'do ..... materiai. do ca,,,,S"doo; em alguma "'3"i"" !"'<jue'''', a Clrga d;..ribIlHt promam.me lOb", lOda a ,up"rfkie <10 ma,erial. ~ "'r~ ""gum, 11ma ffiuu: de ,,,b ... "m .u. mao e [ri<:<;i"",'.I" com I" 0 com pell,., tla n;'io alr~icl lim ped.(o lk"I"r.no de papd. boo pn<kri. rugcd , que um ",ctal n:io JXKic .,,. , anegado. Co01UOO,'" '-oce ""!!,,. r:or. llalle de (ob""?O'" 11m ..... "" ,,,,I.:.. 1e e ("tao .,.-;...·1•. a h..." p,:rmall<:<:" eM· .qpd.> e :o",u 0 1'...10,,;0 <k po.,...!. 1'" primrirn C3.1<). ,... Clrg>t. ~1"(.-tca. prodn,id", pdo ~niw Ie """em r:opid. mcu", do (ob,~ por intermr..:!i" <It: *"., rorpo. quo: t om condu.",". indo 6naJ mc"'c I"" " a Terr:o. 10 segundo GIaO. <> c..bo ....LUlu: impede 0 flux<> <k .:arga p"ra a $11:1 mao. !i"''''~MIoIn >io tuna te ..., e;"a cI"'>e de matf"riais ~ $laS propriedade< el~trl· t:l< e. rl" rn= .. do< ;§OI.1.me' e .. dn. condmor.,., c;;,rg .., j>Qd<' m <ieolocar-oe um "'n~) ~'" um ..,mkondu.or. ""', hi bem cnenOl cafg-.d deiloCl",<i~ PO' III n ot!"'K:ondulOr do que I'vr 'u" rD,,«utor, 0 .nicio ~ 0 l(erm.;nio .ao n~"'l'lo, f"O'" ... lil""""""." = " =,= " 1""I,n, ~p;.h' IY.I ) So 0 _ _ I,..",,,boklu. rt L orn.,-a • _ (, .. ". fOT ,,,,,,, . ,..,)
  30. 30. bern conhttidoo d~ ~mioondU!~ qu", s.o ampbm~"rt " ,lHr.ld(l!l "a fabrin~ <!~ ririM d"potltn'(>t t ltlro.nICos. As propri~et: tlf:mc~. dO!i §/'miMndur(Jr~ poo;lem .. r Mhcrw,b. por d.i"" urdt:n. do: gr.o.udo:la I'"b "'~ do: 'l. llUlu.bdes rontrobdao d< d ~ICTm; n:>do;o ~IOnI<lII cstnulh", _ r""l~ria;' . ,j . Carga por lndU(io Quando urn condmQr ~ ~oll~crado;; T~r'" poe md" de lim r,OJ (on<lul<>r. ou pOT urn tubo m<,;lie;), dU-!.e que 0 «>l1 dut(>r ~<ti atetT.ldo . ""ra II{)!.OM fin~H' !od..,.." Terra podc , er modcl ada como "m rc,en'ilt6,io infmito M ~I e.,..,n'." qu e <ign;fi. ca qu e po<k acdr:,y OU to!'!)"",". "'" mimer<> ilimillld " de c l~l t o" •. :-'~.tc cum.xto. 3 T. rra t~m urn . iilU1Ud;lde 5"m~lh .nte.1 de "00000 ' ~.oe"~ '''''';~ (Ie oolor introdurid"" m. c..pitul<> 17 (vul. II) . Te"do ;.'" em m'"" tc. pod,:",o. cornr>r~end,:r CUm " ca'''~'lr r um condulur ])0' 11111 I~conhrtido como CI~ p... lrwtu(io . A Con<ide rc <>ma e5l"cn (ond utor~ n"utr~ ("ok> c:arregado) quo: a«:po 1...-1,,<1.. de modo que nio haj~ "e" h Ol ma '''' de rond~ p.~'" Q ....10 (l'ig.'''' 19.5;0 ). Aproxi ,c urna hasle de borr.ocha neg:;un~men'" """"'S'Att. .u eslen. A fOT? de repul530 enln .. elokron . "" ha<te e na ".fe." ... WOI "', ... n,d;'tribui~ de cup..x..e a .,.rcr~. <Ie " ........ que alguns eletrons.., <kOOqu.tn fU"'" (l1;vl;.>;.r~ maio diwm ,e da hao'e (F"q; u ". 19!>b) . A ...-giio da me'" m~i. j>f6xim.. halo,e 'em uno CIC<&«'> de ""rg:i fl"'Sitm. por at ..... da mig"'.... o dos e~lt"on' no forn de"" local S<e urn liQ (ondUlOr ....."....K!o for wntt",do. em ..... i af",,,, pert" da acumulao;io d e d c,,,,,, •. c<>mo u..o Figuro 19.5<:, a1~.,.ms dOl eI" ,,,,,, ,~ 'l'liiNarilo .. "'feTa e ida 1 '''" Terr... s<: 0 flo li gado;K) ,..,1" [,,' "c",,,,ido (Fig"''' 19.~csfe. "' r;l con';u ,,, .. licorl ttlm " m cxccwo de posi t;".. in,;".i<ja . •'" •.l.mtnLt, q u.in<lo a h..>te de x)l'Iach.a e I'ctiraola de perf0 do cdc", (FigH I" Ig.r",). a r.arK''' pmi';, .. ;ndll.ida ]>Crn,ancce na arc", 11i o ~""T".. d •. E.,,,, urp pnoi.;,.·. ",idonal d iMrih"i~ de manei", u"ifo"ne JOI><~ ~ ."]>C rfki~ <:b .,.{era ,cia aterr.>d.t p"r COl." . . d", fOJ?< d~ repubio C'" "" a. (arg:.' C da ...1", mobil idadc d"" !",r!idOl'" dc "'''p '" m '" 2 """lr"' '" e rn urn mcu. "- " .15 . fi<p '" "'" _ _ """""'" r - - ' ck> (.) t/m.I "".,. " ' _ ""' ..... COOl II,""",,,,, ~ ... "" II'" f""""y o. , ,,~, (b) A "'f!I' "'" _ . ,..,"e•• ""'l~,;h "r<l..' ~"''''''' "m. h",,.. rl, l"rT><t>. ,..,.~ ~ """"'" do p"""'''''' ,....,.., (. I Qo.....!n • ..... . . .,." ..L, oIol.... tit ..", de. m .. , ""'" .......0 do ho ....-!>do. «II ~ . co ",.100 ~ ... 10, • _ """ _ .. ~ <>U. ........"""'- Q ""'" f ,...,... <_ de "*'P po- daMntIoo""'' ' ' ' ' ' ,~) Qoooo: ... . - '" boo_I " ' _. ., ...... do <~ P'-"'~ .... _ ...." ........ .. w.ru..a, ~ >I...-. _flO. ... ~""'- No J"uccao d e indulj. Uma <"Mga na nih ... a h....'c de oorracha c.. u~ ruio pcrde n.:u:Ll de .ua C3rg- ""8"ti.-a. porq"" ni<> entn eQl (on u lO <om ~ ..ten. A ~ WD roorpo po. lndOfio Rio requer -.It ..... """,wo com <) corp<> que Illd .... caop. h.o t d,re,'c me de ' '''-'<"1;:>'' urn corpo J>O"" mdo do ani." . qu e " 'quer o con""" cnm: .. dot. mrpot. Urn proc~OO ~m~lh~Olt ~ pn mcira Clapa da cMgiI por indu~lt.> em (o .. d" l0"" oeOTlC no> i."lo"'''>' Na maio";a d<Jo atom", C d.... n)o1«"I"" ,'',,'''''''.,, I" "';"';" medi. do. carp pooiTi.-a cot ncide com a posio;:iio media <Ie .~C'p n t g~ I;"';I. (;o",,,do. na P'C,","," cit unl <orpo 'aTl"tgado. ,,, .... J'O'ir;o.:. pod"m ",ucla, ligeiramente deo; d" Os fnr~., ,Ie .( roci<> e ro:pw.;;u do corpo ca=If"!'" I~"d o pm re",ltad" um.> corp maio 1'",;,;.•• tm '"'' lado ,Ia molecub d" que no au,re. ,At:: deill> e conhecido como po~k> . '" ro IOTi,",, {~o de molocul", ind i,iciuail produ' u m.> ,.,,,,,oda de cug~ no>. '''pe: rfl:dc .t" i",lan t~, coma do 19.&., "" qual urn 1»110 carrct(.(ln que: ",,,,- do ado n<.juerdo .. <n IOC"~d o < :OrHn "",. p;l l ~ · dc.i dird ... ....~ Ii.tr, .... a C3"tada d .. arg;o oeg:o.uva "" paredc: ... 01 mal! Im~ima do b..Iio pooiiu,-amemc c~egodo do '11K: '" Garga£ po'Iitiv.oo t_ "ullaS ul1Cmid.· des <Ia. mo/&ul .... Atoim, ... for{<l. d.- atr...,ao en"'" '" c:.arg:u p(Joi,i'"3$ e nL-gau.... I maior do que: a fOl"(:ll de repul .... em", '" cup potrJm'2$. ... cno,~!li:nc:i;o C uma fOT? d .. atntotio recuJ",n,c: 0 baIlo "'""l!'K'Io e 0 ilOWUC n .. ,,1f(). t (""" m ilO de poI...-i~ 'I"" uplia poor que urn I"'D'e ao-itado com "'bc:lo ~ln.i P"'I" "o"" pcda(Ol de 1"'1'e:1 neUlro (Figu". 19.61» , Ott por que um !>alan Jeja atrilado com oeu (abeln pnd~ firar ilde:rido a urna par<:dc nc ,,t"a. m""".. n. "sura tt,,,,,, 'I''''
  31. 31. '" ,., '" , ' .... 111.1] (.1 U.. ""'""...,..",..., i,..oo, "'P' 00li<o • "'1""'1'<.. <Ie ''In. I"""d<. '~I U.. p<nL< P"'! ....,. P'"'~ <Ie .... pd I""'l"'" .. <Mp do no ......... 0 I ....... , _f'O, .... po!.u>.010. ( 1; , w.tfl =1<"""'" ''''' _"odoo C ,," •.W(.) ANDO A yfS I CA 19 .1 Un .. bola p'-"iti~""'eme c'!T'g:.d~, p",,<lurada em um fiu.'; ~prQ1irrud;l. de wn em¥, mio n,,,d,,,or. A bol. t atmld. pd<l cor]>o. A !,~I lir d e"", nao c poo,," el ~terminar IIC 0 <"'1'" cll>l C1 "'cgadQ n.g'O(i>~,nen!oO OJ" "cullo, Por quo ""') Que ~nmC11to "did",,.1 " .juct.ria a r~pert"'rn1(> d(dd,,'« en"" eM>.. d"", _ibilid",,"") LJ-o-RoCIodI'lio II..~ enln: a I:><>b eo corp<> poderia ...,r ""'" a~ ~ntre cup o~ ... uma .Inocito enlfe um c<>rp<> ~""o e urn corpo ne"ltO), !kvido i I'o.... ,~ <bo mo!o'cul.> do corpo n. ,,,ro. DoU Clpt:rimCnl(JO adi<:km:aio """,i,a, ajud:frian . .. do:tI!l"lIlir= 5C 0 <<><pO ~,j <1""lI;o<IO. I'rirnciT1OmCn't. boI:. UI;li<hr'M:nlC ~ri>. acr tr.ozk.1. para f>"'1'O do corp<> -.., a bob f<>t aU"1eU ",na. """.111 ''''11'''';,=<,,1<:. Outr. _ibi l;d~". ",ria C"'I><' .,1«,.,1 CI'''''gadO ""go';,.,,,,,,,,,,.Se a , I'd" (flIP'>, U CQ,¥, ....ri c'HeJr~u lra(tr urn .. bola .",bi<4l1n~nte <ar"'god" " .gali,,,,,,.,,,. 1'".... p'''''' do wrpo _ .., " bu1.a ti,,' rc pd id ~ 1,,0 corpo. Q bola for ", '~ r.i "0. .,,,,;d•. 0 .. ., 1GA • LEI De COULOMB ~ltmc:.. en"" corp'" c>'r1c:giO<k>s foram medida. qu.amilJ.u.;u:ocntc po. Cha. l" Conlomb "","0.1"" balano;a de ,...n;:i<>. que ~I~ j",...m" ... (!" 'i"~. 19.1 ). Coulomb cOllli.lllu que" for(:>. cl<!' rita e"tre 0.1""" pcquen"" ...rem car .... gad.o. f propn.d""al ~o i"....,,,o do q,,,uh-A ,I. ,I; .. ~"r;" r d~ ..... JU"'c ~ ..... n,,~ ..1M. i<t~~. d" F,'" I /~. 0 I'ri ncil';" "perncional da 1l~lau(" de tor";o ~ "mn"1o 0 do ,..... [run ..",,, u,..do p.>. a.",,,dhh para ",edir a Co". "rHe gra'it:lcion~ 1 (Sot,;;o 11.1 • " .,..,1. I). «>m at .,.{~~ ckuicamen'e n"",,,..... b>ti,uldas por elie,," c.r~~I. A f~ clctrica c'>I~ as ...:-e ..... can epoJao A" R. na F4I"''' 19.7. £al com ql.>e haP. at~" 0" ,· pul';;" em..., a! met"a.-. e 0 m"" ",ento ,....ulu.n'e UuA ~ 101"(;0 do fi.. e bra . "q>tnlQ. Como ... lo'qu( .nuu~ do. filln. to«idJ ~ c;on~1 ..., !ngu. 10 ron, que glr:.. ,un~ medi<b de:.oe ittguio fom""" t.t.m:O _tbd.>. quanti .... ';.., do fore> d ';uic;;o de .mw;;;o 0"' repuh.io. U",,. 'I."" as ...r~l"M sao u~. pelo A. fO'(:1$ 'I"" "'' "PO' 'I'" ...... 19.'1 .~ _ _ "" .... ~ . ... f" ...... """ ... 'l"'.roi~_I " " . I" ... . b *"...,.., do ~ 'wI .... _ , ........... ...M"'d _ _ • "-
  32. 32. auito, a for,a d;;trica emrc cia. e tntti{o grande, cornplrdda com a ap-a<;:ia gra,;ta· danal, d" man .. ", que a for,a grJ"i{acional l>Ode ser desprc:zada, :-"0 Capitulo" (m!. I) intrOOuzimos a lei de Coulomb, que de,ern''' a malo'!li_ tude da for,a cletro,{:itica etttre dtt"" par{icu]"" car~da, corn catg'" 'l1 C If;! e ,eparad"" I>or u.l Ia distancia >: 119.1 1 onde h, ( - 8,99 X 10· N · m~/Cl ) e a conslalltc de CouJon,b e . for~~ e m~-did~ em newtons .. as carga. <:otl0 em colilombo e ~ distancia de "'1"'nu;.;lO escl em rnem,.. A oonm.nte h, tamrn;rn i escrita co",,, ., ~-­ • o nde a cottsta nle .... conhecida 000}0 1 "00 ~ pcm1ioaividadc d o ,1ocuo, tcm ,.,.)or "v _ 11.1612 X 1O -1 · C'/N·",2 F. import>n '~ ollsen." qn~ a Equa~ao 19.1 I<>rn<:e" $Omeme 0 m6dulo da fer~a. A dirco;:le da fo~ em uma partfcul~ dada tem de ser mcommda c<>]),i&rando-"" e])de '" parricula. '''",0 loc.lizad& urll'" em rela~ao" 0"'''''' e " .itt1 de cad. Gtrlp. A"..;m. uma rq>"'''''nta~ .() I'lct6nca de lim problema de detrosutica e m"ito ;mportan ,e para a < .omprecn!lii<> de problema. A carga de urn ~l~tron i. -1,60 X 10-" C, <: 0 I'rt)(O" (~uma c"rga <k q _ +. _ 1.60 X 10- ~ C: con""'lnememenl<:, 1 C da carga e iguaJai) m6dul" da carg" de ( Hill X 10- 19 ) - 1 - 6,25 X 10'" elh-om, Ohserveqtte ICe uma gr:ondc qu:m~ ru, <arga. N"" cxp"rimt:ntoS detroo;tltk"" tfpic,,", elll quc um. ll3iJe d . borr:ocha ou <Ie ,;<11"0 ~ c.rregada PO' md<> <Ie atrlt6. eb,eIl't«e uma mrga ""ul· tant~ da ord~m d~ l~ C ( - I I'-C) Em "ulr'" 1'.1<."""<, IIOIll",,{e urn mlmero mni,o ~uene de tetal de cletmn, di<pon'"cis Ida o"krn de ]O~J em lima am",.. ' n d. I cm~) e m"uf~rid" entre. haste e "material mill equal da e.ui se"do lri ctionada. 0. val"",. medido< "xl"'ri men{almen{e ~'" carga. <: da, m."", do detl'On . do proton. de neutron!liie d~de. na lltbel2 I~, I. D<:,~ I~brar. ' 0 lidar com. lri de eoll]emb . .:.ue a fOr(a e urn. qtt.n{ida· de ,1d0l"Uil ~ d"",..,r (r.tad. como til. AUm dio!ltl, " I~ d" C"'tlomb apUco_ exatamente ..,ment•• parlfculas.' A for~. ele"""",tic" CXC1'cid. por '1t ent 'fl. escrita c<>me }·12. pode 'er upr.,.,"" na [errn. "c{orial como t 't'" - .... 1',. ~ ••~ fJ . , !~BaA '8., Cargae M_do EIt1ron,i'r6too e So1-u""" "klt"'....;o. , m:ogcotl.mo Durante ..... 'Iida. tMnbOm 1 0_9'>" M _ t6nc1 ... 008 mat...r.l. 9 d:lfllrrnTnOli OS f ~ que slota", oorpoo oobr . ~ , OQ(l!rI)uindou",m ~ . "campo '" ~~ni", ... .rulon.1. No o.mpo <:Ia .. ~.,. , ,~, ...... ~" ... fome<:e<J lrnI compreeI1,oo M,"""flrtOi d• • pol .. q""l. as PO"""" • 00 .nimai. poeOffi _ _ 0 trllbillho. "'""woo iF"'" """... ~ «. AlP Mel< BOlt< UDra¥yIE. SCD" BarrCo.llo>.:'iot1) 119.11 llt""n (e) !'r6<on (p) ~ 1.i02191 7 X 10 " + 1.002/91 7 X 10-") ~,;" trun (n) • A l<i d< C<luloOlto pod' • ,I,,, 'pE<a.l.o. ,.,<'.1><,,,, pOOe 1« ,,""" " p_r, 9~O!,/5* l~' I,U:il:1l1 XI(i4' 1,~·4l!'.! )( I!r"P ""'P'~ n ""~' · ''''' Ob>c,,,, q"" ,""ule" -w.' <0100 "u:., .b«";""" 1"'0. "pan;'"," m"", qUMlOO "' dloNI<w P""Io:uJ .. "'''' quao' 0 moddo ob p""kut. ","~' C>ff"ll"'<i", ",'nell>w ,.. '" "'" om .,," . ...., i "m "'" c0" ... " ,,"" 'k' -..," I""" -~ O ....... ..,-, 0 """""'" ... , on" .... lb,' oj;", oc ~ ''' ',",,0 ", ~ ....,.." ," " ~'I~o '",""" M do> "''fI' OU OWl. p.ru<w. rom "Iu<la '""P-
  33. 33. , r '" i urn WOO, ""itirio "",,n~do d e fI para " como II .. figun. 19.&. A :!::~~ ]9.2 pod" oe, "",da I"''''~ '' de5Cobri r a dire(a" Te~l <b ro<~a no ..pa~o. Ifja ne( e!o$'ri~ urna rt:1"e<t:ruaoio pkwrica dnenhad3 com (uida" " a fim ""de. ide 'nifi C clor:unCll'e a diw;~o (~ ",1. A panirda to,cd", lei de 1'CWWIl ""riliM fur(a eletri•• exerdda I""" /fI sob", 'i1 ' em mOdnlo is,,,,1 ~ fo n;a e. erem 'h: e apont>. " .. d lred .. Ufl'»1a; ;"0 e, I'll - - Fit . A partir d. que ... '/'I. e Qr '~m " " ",omo .1",,1. .. produ,o '1,' 1i p<:»itim e '·~pukao. oomo na Figura 19.s... A for(~ em 'h "'U no me,,"o ",,,lido afout<l de '11- Sc y! e '1') ,,,,,,rem .maio 01'''''''' como na Figura 19.8b... f1fl t no' g;un., e .. roqa f de atl'''~o. Nr:.te fOl(lo em If! eot<i no " LI. d il'ttionada 1'"'" 'l1 . '" ' .. " '" caJO." C Q'pn A Ie'" car!:" d~ + ~ "(:" ,, «'''iX> illem ca'!rd de + 6 J,<C. Qual afi, ..... o;fjo (a) FAlI - -3F ..... (b) F,fi - - I'M (e) 3i'AD. - FII,. herd~lra ? p"""'''''''' Fig ... , ... !I""" Qwondo ... tao ",;Us <100 partIeul ... (a~pd.> •• , fOf't;O en"" qualquer par i <bda pel;!. Equ:a.;:lio 19.2. Con""'lUenlemente. a fomo n:oull.al>l4!_ brc qualq...". partkul. r ~.I...om.> .-;.J ..... forcas Indiridullio <krid... 10>......... _ pII.l1o.l1... r....e pri.tciplo de ... ~ do modo «>rno ~ ~ph~ pan. as for(as elelroot:ili",.. r. mn Ello o"",,,.. do nperime ntalmenlC c r. p'Ck".. oi",pl~"'ente a >oma ,·~,oriaJ .radi(i (ln~ 1 d", fur"", imrod"'ida no 0ol' iw lo 4 (,"t>!. I). Po. e~e "'plo.", qualro pan'""I .... c.. rr~gada' ",.i,·erem pre.,..,n," , ~ f",>" r",ulwnlC,,3 partkula 1 d",;<I., ..... 1'~rtk" I.l, 2. 3 c 4 e dada p<:la ... "'~ ,.c .orial 1', _ 1'1J t r.l , + r" 0.... c ...... p>tttWo_ OL .... ~_ JI"t dL<tioI<b . ..... """ .... ""'" "'~ ,; ...... ", II. ..., ... []bon_~ ... . . . . . . eouo. ..,"- F., ... <HXI.o I"" fI I ...... "'" c tI _ ....,.....,0, opoota.." .... oId<> i ... "" F " . ""'. .b l"f" ....... " .(. ) Q> ... I0 ", _ '""I.• ,k n,!," . '"'11'" "'" "" ~'w, .., <I< mc,<no lot",,, ...,. Ib) Quat....... ~ ... . IOn', I <I< >tc.o;io_ • Elr.em.P'o ••• 1 Ondr: .. Fo!",.. Ku ulWltc E Kula? Tm pardCl' .... ntrepb> mrotllraJll.l" .... ""'11" d<o cOO} Homo narlgur.o 19.9. A pau.kul. '(1ft! ""'W' " ~ + U.O ... C _ em ~ - t OO "'. onq".nm a portlcub + ~.OO pC e<1' TllO origo,n. On,1< d.c~" .." «>1 «.>(.0 no e,xo ~ um~ p;trtlcul. C"'" Itc~.'i'·• ." rl. nwICln. ~ "" • for", ,c,ultan,.. ~>I" • • u ..j> " "t.l ".." '''p". Racloc.lnto ,4. ,''''i' i'". ondt .«onbeccmoo qu< - i ....... ~ d.,.;da. fl. p.... q"" 'IL ....1 :I di"";ta tI< "" Ag<n adi~.,.... do .. too.;", • ""1"'. ....,,. • f<><u t"ekUun.e igo ..1a •• ro: "II f ':''' · '''1' '.,''-., (2.00l" , t . $) r",,,. , ... ulun,. nub ,nd,u qu. to t mna JU"lruI&.", rquilfbno. de n>Odo qlM: as d.w r~ """" ,,<lo to .., ""ubln. ew." " i IX"pm... ''''I''''"''' fI • ".-..;........ ""dllid ~ r,.e F!lMo!kJrr4(io. 1'"...... .., 1 -- an .... tr"', .. ~;ogind<> _ ., do"", esIlOI" .... "'Dlidoo opoK<.Il. St " r<>r ...... "".oda i <><I""rda dt """ :I <Ii •.,;.. d. fl . .. {Of" .................... , .. , "" """"'" ",nndo. ...... m... un;u I'.....'l>illrt>,~. do '" leT !o~ em .. "d",," """"'''' e c,,~' .. tl. como Inn;".. L,, ~. f';g'''~ 19.9 <I,"''' ' Solut;lo "'")0' n C<>OTd"",d. d. '1" "nil<> .. L~. ",""k'" .n ....".,"', to",,, t·" • -.' ~!J() _ .). ~IJ-- •'(1.00-..," ' "". .""'!""',,, I. 2.110 III - --i -:- -.,..,,---{j(jf-. ~" • • f lO " ~ r ., ( f ..",pIo 1 ~ I ) T, " coop P"'''''''' ..... < - "" ""¥' 00 ,"'" . ....u.. ~ ' OJ <>«<l<Io . - " ~ 50 • ...........1 ,... """" " itN ... """'" " om> <Ir..,.;....1 ... r.,.- ,kt.,,,,,,, ,,_,. .u;poi,"'" • """"" .m ~ i;;'-"" ...

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