Table Of Content

VIRA VIRA V A IR R A VI S Y E O FÍSICA III FíEn ARS & UN F ÍSICA III sg Z G ie E cn M ah A & N a S F r K R Y E i a E D ELETROMAGNETISMO M A 14e N YOUNG & FREEDMAN ELETROMAGNETISMO SEARS & ZEMANSKY 14e YOUNG & FREEDMAN Desde sua primeira edição, esta obra tem sido referência por sua ênfase nos princípios EF SEARS & ZEMANSKY fundamentais de física e em como aplicá-los. Estruturado de maneira clara e com uma L E TÍ didática minuciosa aliada a uma extensa gama de exercícios e exemplos explicativos, RS O este livro permite que os alunos desenvolvam habilidades de identificação, estabele- MI C cimento, execução e avaliação de problemas. A G NA Fundamental para estudantes dos cursos de graduação em matemática, física e para E T todos os ramos da engenharia, esta 14a edição foi totalmente atualizada e revisada ISI MI para oferecer um aprendizado eficaz por meio de uma abordagem mais explicativa OI somada a uma quantidade maior de figuras, fotos e exercícios. E todo esse conteúdo é complementado por notas explicativas nas principais equações, quadros com os erros mais comuns, conteúdo atualizado da física moderna e aplicações de biociência, o que o torna a grande referência para os estudiosos da área. 14e sv.pearson.com.br A Sala Virtual oferece, para professores: apresentações em PowerPoint, manual de soluções e exercícios adicionais (em inglês). Para estudantes: exercícios adicionais. Este livro também está disponível para compra em formato e-book. Para adquiri-lo, acesse nosso site. ISBN 978-85-430-1591-0 w w w .wp we awr.spoena.rcsoomn .. cb or m . b r 9788543015910_SEARS_FÍSICA III.indd 1 18/12/2015 10:27:46 FÍSICA III ELETROMAGNETISMO 14e YOUNG & FREEDMAN SEARS & ZEMANSKY Book_SEARS_Vol3.indb 1 10/11/15 6:55 PM Book_SEARS_Vol3.indb 2 10/11/15 6:55 PM FÍSICA III ELETROMAGNETISMO 14e YOUNG & FREEDMAN SEARS & ZEMANSKY Hugh D. Young Roger A. Freedman Universidade da Califórnia, Santa Bárbara Colaborador A. Lewis Ford Universidade A&M do Texas Tradutores: Daniel Vieira e Lucas Pilar Revisão técnica: Adir Moysés Luiz Doutor em ciência Professor associado aposentado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro Book_SEARS_Vol3.indb 3 10/11/15 6:55 PM ©2016 by Pearson Education do Brasil Ltda. Copyright © 2016, 2014, 2012 by Pearson, Inc. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Brasil. Gerente editorial Thiago Anacleto Supervisora de produção editorial Silvana Afonso Coordenador de produção editorial Jean Xavier Editor de aquisições Vinícius Souza Editora de texto Sabrina Levensteinas Editores assistentes Marcos Guimarães e Karina Ono Preparação Renata Siqueira Campos Revisão Oitava Rima Capa Solange Rennó Projeto gráfico e diagramação Casa de Ideias Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Young, Hugh D. Física III, Sears e Zemansky: eletromagnetismo/ Hugh D. Young, Roger A. Freedman ; colaborador A. Lewis Ford ; tradução Lucas Pilar da Silva e Daniel Vieira; revisão técnica Adir Moysés Luiz. – 14. ed. – São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015. Título original: University physics with modern physics ISBN 978-85-4301-815-7 1. Eletromagnetismo 2. Física I. Freedman, Roger A.. II. Ford, A. Lewis. III. Título. 15-09796 CDD-537 Índice para catálogo sistemático: 1. Eletromagnetismo : Física 537 2015 Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à Pearson Education do Brasil Ltda., uma empresa do grupo Pearson Education Avenida Santa Marina, 1193 CEP 05036-001 – São Paulo – SP – Brasil Fone: 11 3821-3542 [email protected] A01_SEARS_0000_1_SE_A01.indd 4 11/11/15 9:16 AM SUMÁRIO FÍSICA III ELETROMAGNETISMO 25.5 Energia e potência em circuitos elétricos 162 25.6 Teoria da condução em metais 167 21 CARGA ELÉTRICA E Resumo 169 CAMPO ELÉTRICO 1 Problemas/exercícios/respostas 171 21.1 Carga elétrica 2 26 CIRCUITOS DE 21.2 Condutores, isolantes e cargas induzidas 5 CORRENTE CONTÍNUA 180 21.3 Lei de Coulomb 8 21.4 Campo elétrico e forças elétricas 13 26.1 Resistores em série e em paralelo 180 21.5 Determinação do campo elétrico 18 26.2 Leis de Kirchhoff 186 21.6 Linhas de um campo elétrico 24 26.3 Instrumentos de medidas elétricas 191 21.7 Dipolos elétricos 25 26.4 Circuitos R-C 196 Resumo 30 26.5 Sistemas de distribuição de potência 201 Problemas/exercícios/respostas 32 Resumo 205 Problemas/exercícios/respostas 207 22 LEI DE GAUSS 43 22.1 Carga elétrica e fluxo elétrico 43 27 CAMPO MAGNÉTICO E 22.2 Determinação do fluxo elétrico 46 FORÇAS MAGNÉTICAS 218 22.3 Lei de Gauss 51 27.1 Magnetismo 219 22.4 Aplicações da lei de Gauss 55 27.2 Campo magnético 221 22.5 Cargas em condutores 61 27.3 Linhas do campo magnético e Resumo 65 fluxo magnético 225 Problemas/exercícios/respostas 67 27.4 Movimento de partículas carregadas em um campo magnético 228 23 POTENCIAL ELÉTRICO 75 27.5 Aplicações do movimento de 23.1 Energia potencial elétrica 75 partículas carregadas 232 23.2 Potencial elétrico 82 27.6 Força magnética sobre um condutor 23.3 Determinação do potencial elétrico 89 conduzindo uma corrente 235 23.4 Superfícies equipotenciais 93 27.7 Força e torque sobre uma espira 23.5 Gradiente de potencial 96 de corrente 238 Resumo 99 27.8 O motor de corrente contínua 245 Problemas/exercícios/respostas 101 27.9 O efeito Hall 247 24 CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICOS 111 Resumo 249 Problemas/exercícios/respostas 251 24.1 Capacitância e capacitores 112 24.2 Capacitores em série e em paralelo 116 28 FONTES DE CAMPO MAGNÉTICO 263 24.3 Armazenamento de energia em 28.1 Campo magnético de uma carga capacitores e energia do campo elétrico 120 em movimento 264 24.4 Dielétricos 124 28.2 Campo magnético de um elemento 24.5 Modelo molecular da carga induzida 130 de corrente 266 24.6 Lei de Gauss em dielétricos 132 28.3 Campo magnético de um condutor Resumo 134 retilíneo conduzindo uma corrente 269 Problemas/exercícios/respostas 136 28.4 Força entre condutores paralelos 272 28.5 Campo magnético de uma 25 CORRENTE, RESISTÊNCIA E espira circular 274 FORÇA ELETROMOTRIZ 145 28.6 Lei de Ampère 277 25.1 Corrente 146 28.7 Aplicações da lei de Ampère 281 25.2 Resistividade 150 28.8 Materiais magnéticos 284 25.3 Resistência 152 Resumo 291 25.4 Força eletromotriz e circuitos 156 Problemas/exercícios/respostas 293 Book_SEARS_Vol3.indb 5 10/11/15 6:55 PM VI Física III 29 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA 304 1.5 Incerteza e algarismos significativos 1.6 Estimativas e ordens de grandeza 29.1 Experiências de indução 305 1.7 Vetores e soma vetorial 29.2 Lei de Faraday 306 1.8 Componentes de vetores 29.3 Lei de Lenz 315 1.9 Vetores unitários 29.4 Força eletromotriz produzida 1.10 Produtos de vetores pelo movimento 317 Resumo 29.5 Campos elétricos induzidos 320 Problemas/Exercícios/Respostas 29.6 Correntes de Foucault 322 29.7 Corrente de deslocamento e 2 MOVIMENTO RETILÍNEO equações de Maxwell 323 2.1 Deslocamento, tempo e velocidade média 29.8 Supercondutividade 328 2.2 Velocidade instantânea Resumo 330 2.3 Aceleração instantânea e aceleração média Problemas/exercícios/respostas 332 2.4 Movimento com aceleração constante 30 INDUTÂNCIA 343 2.5 Queda livre de corpos 2.6 Velocidade e posição por integração 30.1 Indutância mútua 344 Resumo 30.2 Indutores e autoindutância 347 Problemas/Exercícios/Respostas 30.3 Energia do campo magnético 351 30.4 O circuito R-L 354 3 MOVIMENTO EM DUAS OU 30.5 O circuito L-C 359 TRÊS DIMENSÕES 30.6 O circuito L-R-C em série 363 3.1 Vetor posição e vetor velocidade Resumo 366 3.2 Vetor aceleração Problemas/exercícios/respostas 367 3.3 Movimento de um projétil 31 CORRENTE ALTERNADA 376 3.4 Movimento circular 3.5 Velocidade relativa 31.1 Fasor e corrente alternada 376 Resumo 31.2 Resistência e reatância 380 Problemas/Exercícios/Respostas 31.3 O circuito L-R-C em série 386 31.4 Potência em circuitos de 4 LEIS DE NEWTON corrente alternada 391 DO MOVIMENTO 31.5 Ressonância em circuitos de 4.1 Força e interações corrente alternada 394 4.2 Primeira lei de Newton 31.6 Transformadores 397 4.3 Segunda lei de Newton Resumo 401 4.4 Massa e peso Problemas/exercícios/respostas 402 4.5 Terceira lei de Newton 32 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 410 4.6 Exemplos de diagramas do corpo livre Resumo 32.1 Equações de Maxwell e Problemas/Exercícios/Respostas ondas eletromagnéticas 411 32.2 Ondas eletromagnéticas planas e 5 APLICAÇÕES DAS LEIS DE NEWTON a velocidade da luz 414 5.1 Uso da primeira lei de Newton: 32.3 Ondas eletromagnéticas senoidais 421 partículas em equilíbrio 32.4 Energia e momento linear em 5.2 Uso da segunda lei de Newton: ondas eletromagnéticas 425 dinâmica de partículas 32.5 Ondas eletromagnéticas estacionárias 431 5.3 Forças de atrito Resumo 434 5.4 Dinâmica do movimento circular Problemas/exercícios/respostas 435 5.5 Forças fundamentais da natureza Resumo FÍSICA I Problemas/Exercícios/Respostas 6 TRABALHO E ENERGIA MECÂNICA CINÉTICA 6.1 Trabalho 1 UNIDADES, GRANDEZAS 6.2 Energia cinética e o teorema do FÍSICAS E VETORES trabalho-energia 1.1 A natureza da física 6.3 Trabalho e energia com forças variáveis 1.2 Solução de problemas de física 6.4 Potência 1.3 Padrões e unidades Resumo 1.4 Utilização e conversão de unidades Problemas/Exercícios/Respostas Book_SEARS_Vol3.indb 6 10/11/15 6:55 PM Sumário VII 7 ENERGIA POTENCIAL E FÍSICA II CONSERVAÇÃO DA ENERGIA 7.1 Energia potencial gravitacional TERMODINÂMICA E ONDAS 7.2 Energia potencial elástica 7.3 Forças conservativas e forças 12 GRAVITAÇÃO não conservativas 7.4 Força e energia potencial 12.1 Lei de Newton da gravitação 7.5 Diagramas de energia 12.2 Peso Resumo 12.3 Energia potencial gravitacional Problemas/Exercícios/Respostas 12.4 Movimento de satélites 12.5 As leis de Kepler e o movimento 8 MOMENTO LINEAR, de planetas IMPULSO E COLISÕES 12.6 Distribuição esférica de massa 8.1 Momento linear e impulso 12.7 Peso aparente e rotação da Terra 8.2 Conservação do momento linear 12.8 Buraco negro 8.3 Conservação do momento linear Resumo e colisões Problemas/exercícios/respostas 8.4 Colisões elásticas 13 MOVIMENTO PERIÓDICO 8.5 Centro de massa 8.6 Propulsão de um foguete 13.1 Causas da oscilação Resumo 13.2 Movimento harmônico simples Problemas/Exercícios/Respostas 13.3 Energia no movimento harmônico simples 9 ROTAÇÃO DE CORPOS RÍGIDOS 13.4 Aplicações do movimento 9.1 Velocidade angular e aceleração angular harmônico simples 9.2 Rotação com aceleração angular constante 13.5 O pêndulo simples 9.3 Relações entre a cinemática linear e 13.6 O pêndulo físico a angular 13.7 Oscilações amortecidas 9.4 Energia no movimento de rotação 13.8 Oscilações forçadas e ressonância 9.5 Teorema dos eixos paralelos Resumo 9.6 Cálculos do momento de inércia Problemas/exercícios/respostas Resumo 14 MECÂNICA DOS FLUIDOS Problemas/Exercícios/Respostas 14.1 Gases, líquidos e densidade 10 DINÂMICA DO MOVIMENTO 14.2 Pressão em um fluido DE ROTAÇÃO 14.3 Empuxo 10.1 Torque 14.4 Escoamento de um fluido 10.2 Torque e aceleração angular de 14.5 Equação de Bernoulli um corpo rígido 14.6 Viscosidade e turbulência 10.3 Rotação de um corpo rígido em torno Resumo de um eixo móvel Problemas/exercícios/respostas 10.4 Trabalho e potência no movimento de rotação 15 ONDAS MECÂNICAS 10.5 Momento angular 15.1 Tipos de ondas mecânicas 10.6 Conservação do momento angular 15.2 Ondas periódicas 10.7 Giroscópios e precessão 15.3 Descrição matemática das ondas Resumo 15.4 Velocidade de uma onda transversal Problemas/Exercícios/Respostas 15.5 Energia no movimento ondulatório 15.6 Interferência de ondas, condições 11 EQUILÍBRIO E ELASTICIDADE de contorno de uma corda e 11.1 Condições de equilíbrio princípio da superposição 11.2 Centro de gravidade 15.7 Ondas sonoras estacionárias em 11.3 Solução de problemas de equilíbrio uma corda de corpos rígidos 15.8 Modos normais de uma corda 11.4 Tensão, deformação e módulos Resumo de elasticidade Problemas/exercícios/respostas 11.5 Elasticidade e plasticidade Resumo 16 SOM E AUDIÇÃO Problemas/Exercícios/Respostas 16.1 Ondas sonoras Book_SEARS_Vol3.indb 7 10/11/15 6:55 PM VIII Física III 16.2 Velocidade das ondas sonoras 20.5 Segunda lei da termodinâmica 16.3 Intensidade do som 20.6 O ciclo de Carnot 16.4 Ondas estacionárias e modos normais 20.7 Entropia 16.5 Ressonância e som 20.8 Interpretação microscópica da entropia 16.6 Interferência de ondas Resumo 16.7 Batimentos Problemas/exercícios/respostas 16.8 O efeito Doppler 16.9 Ondas de choque Resumo FÍSICA IV Problemas/exercícios/respostas ÓTICA E FÍSICA MODERNA 17 TEMPERATURA E CALOR 17.1 Temperatura e equilíbrio térmico 33 NATUREZA E PROPAGAÇÃO DA LUZ 17.2 Termômetros e escalas 33.1 Natureza da luz de temperatura 33.2 Reflexão e refração 17.3 Termômetro de gás e escala Kelvin 33.3 Reflexão interna total 17.4 Expansão térmica 33.4 Dispersão 17.5 Quantidade de calor 33.5 Polarização 17.6 Calorimetria e transições de fase 33.6 Espalhamento da luz 17.7 Mecanismos de transferência 33.7 Princípio de Huygens de calor Resumo Resumo Problemas/exercícios/respostas Problemas/exercícios/respostas 34 ÓTICA GEOMÉTRICA E 18 PROPRIEDADES TÉRMICAS INSTRUMENTOS DE ÓTICA DA MATÉRIA 34.1 Reflexão e refração em uma superfície 18.1 Equações de estado plana 18.2 Propriedades moleculares da matéria 34.2 Reflexão em uma superfície esférica 18.3 Modelo cinético-molecular de 34.3 Refração em uma superfície esférica um gás ideal 34.4 Lentes delgadas 18.4 Calor específico 34.5 Câmera 18.5 Velocidades moleculares 34.6 O olho 18.6 Fases da matéria 34.7 A lupa Resumo 34.8 Microscópios e telescópios Problemas/exercícios/respostas Resumo Problemas/exercícios/respostas 19 A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 35 INTERFERÊNCIA 35.1 Interferência e fontes coerentes 19.1 Sistemas termodinâmicos 35.2 Interferência da luz produzida por 19.2 Trabalho realizado durante variações duas fontes de volume 35.3 Intensidade das figuras de interferência 19.3 Caminhos entre 35.4 Interferência em películas finas estados termodinâmicos 35.5 O interferômetro de Michelson 19.4 Energia interna e a primeira lei Resumo da termodinâmica Problemas/exercícios/respostas 19.5 Tipos de processos termodinâmicos 19.6 Energia interna de um gás ideal 36 DIFRAÇÃO 19.7 Calor específico de um gás ideal 36.1 Difração de Fresnel e difração de Fraunhofer 19.8 Processo adiabático de um gás ideal 36.2 Difração produzida por uma fenda simples Resumo 36.3 Intensidade na difração produzida por Problemas/exercícios/respostas uma fenda simples 36.4 Fendas múltiplas 20 A SEGUNDA LEI DA 36.5 A rede de difração TERMODINÂMICA 36.6 Difração de raios X 20.1 Sentido de um processo termodinâmico 36.7 Orifícios circulares e poder de resolução 20.2 Máquinas térmicas 36.8 Holografia 20.3 Máquinas de combustão interna Resumo 20.4 Refrigeradores Problemas/exercícios/respostas Book_SEARS_Vol3.indb 8 10/11/15 6:55 PM Sumário IX 37 RELATIVIDADE 41.6 Átomos com muitos elétrons e o 37.1 Invariância das leis físicas princípio de exclusão 37.2 Relatividade da simultaneidade 41.7 Espectro de raios X 37.3 Relatividade dos intervalos de tempo 41.8 Entrelaçamento quântico 37.4 Relatividade do comprimento Resumo 37.5 As transformações de Lorentz Problemas/exercícios/respostas 37.6 O efeito Doppler para as ondas eletromagnéticas 42 MOLÉCULAS E MATÉRIA 37.7 Momento linear relativístico CONDENSADA 37.8 Trabalho e energia na relatividade 42.1 Tipos de ligações moleculares 37.9 Mecânica newtoniana e relatividade 42.2 Espectro molecular Resumo 42.3 Estrutura de um sólido Problemas/exercícios/respostas 42.4 Bandas de energia 38 FÓTONS: ONDAS DE LUZ 42.5 Modelo do elétron livre para um metal 42.6 Semicondutores SE COMPORTANDO COMO 42.7 Dispositivos semicondutores PARTÍCULAS 42.8 Supercondutividade 38.1 Luz absorvida como fótons: Resumo o efeito foloelétrico Problemas/exercícios/respostas 38.2 Luz emitida como fótons: produção de raios X 43 FÍSICA NUCLEAR 38.3 Luz dispersa como fótons: dispersão de 43.1 Propriedades do núcleo Compton e produção de pares 43.2 Ligação nuclear e estrutura nuclear 38.4 Dualidade onda-partícula, probabilidade 43.3 Estabilidade nuclear e radioatividade e incerteza 43.4 Atividade e meia-vida Resumo 43.5 Efeitos biológicos da radiação Problemas/exercícios/respostas 43.6 Reações nucleares 39 A NATUREZA ONDULATÓRIA 43.7 Fissão nuclear DAS PARTÍCULAS 43.8 Fusão nuclear Resumo 39.1 Ondas de elétrons Problemas/exercícios/respostas 39.2 O átomo nuclear e espectros atômicos 39.3 Níveis de energia e o modelo do átomo 44 FÍSICA DAS PARTÍCULAS E de Bohr COSMOLOGIA 39.4 O laser 44.1 Partículas fundamentais – uma história 39.5 Espectros contínuos 44.2 Aceleradores de partículas e detectores 39.6 Revisão do princípio da incerteza 44.3 Interações entre partículas Resumo 44.4 Quarks e o modelo com simetria de Problemas/exercícios/respostas oito modos 40 MECÂNICA QUÂNTICA I: FUNÇÕES 44.5 O modelo padrão e os modelos futuros 44.6 O universo em expansão DE ONDA 44.7 O começo do tempo 40.1 Funções de onda e a equação unidimensional Resumo de Schrödinger Problemas/exercícios/respostas 40.2 Partícula em uma caixa 40.3 Poços de potencial APÊNDICES 40.4 Barreira de potencial e efeito túnel 40.5 O oscilador harmônico A O sistema internacional de unidades 443 40.6 Medição na mecânica quântica B Relações matemáticas úteis 445 Resumo C Alfabeto grego 447 Problemas/exercícios/respostas D Tabela periódica dos elementos 448 E Fatores de conversão das unidades 449 41 MECÂNICA QUÂNTICA II: F Constantes numéricas 450 ESTRUTURA ATÔMICA Respostas dos problemas ímpares 453 41.1 A equação de Schrödinger em três dimensões Créditos 459 41.2 Partícula em uma caixa tridimensional Índice remissivo 461 41.3 O átomo de hidrogênio Sobre os autores 469 41.4 O efeito de Zeeman 41.5 Spin eletrônico Book_SEARS_Vol3.indb 9 10/11/15 6:55 PM