Curso · Física

Física PAS 3: eletricidade, magnetismo e física moderna

A 3.ª etapa do PAS/UnB em Física na sequência do Rota PAS 3: cargas, campo e potencial; circuitos de corrente, resistores, Kirchhoff, geradores e capacitores; ímãs, correntes e indução até o motor e a ressonância magnética; e o século que trouxe quantum, relatividade e Big Bang.

1 Carga elétrica e eletrização Como um pente que acabou de sair do cabelo levanta pedacinhos de papel sem que ninguém tenha criado carga alguma, por que o papel, que está neutro, vai atrás dele, e o que esse gesto tem a ver com o choque na porta do carro num dia seco, com a roupa que gruda ao sair da secadora e com o raio que desce de uma nuvem de tempestade? Conteúdo e materiais de estudo
2 Lei de Coulomb Duas bexigas esfregadas no mesmo cabelo e penduradas lado a lado ficam paradas com os fios inclinados, empurradas por algo que não as toca; afaste-as ao dobro da distância e o empurrão cai a um quarto. Que força é essa, que tem a mesma cara da gravidade, é 10³⁹ vezes mais forte que ela dentro do átomo e mesmo assim não é ela que segura a Lua? Conteúdo e materiais de estudo
3 Campo elétrico O caderno do PAS mostra duas cargas ligadas por um feixe de linhas curvas e uma seta no meio, e pede o sinal de cada carga sem dar número nenhum. Uma gotícula de óleo negativa fica parada no ar entre duas placas, e a banca pergunta para onde aponta o campo. O que é essa seta que existe em cada ponto do espaço mesmo onde não há carga alguma, como se lê o mapa que ela desenha e por que uma carga negativa vai sempre contra ela? Conteúdo e materiais de estudo
4 Potencial elétrico Uma nuvem de tempestade fica a cem milhões de volts do chão; um elétron acelerado por quinhentos volts sai a treze mil quilômetros por segundo; e um carro de carroceria metálica é um dos lugares mais seguros para esperar o raio passar. Que número é esse, o volt, que mede quanto custa mover uma carga sem que ninguém precise saber o caminho, e por que ele decide onde a carga se acomoda num metal e onde a descarga prefere descer? Conteúdo e materiais de estudo
5 Corrente elétrica Você aperta o interruptor e a lâmpada acende no mesmo instante, mas os elétrons do fio se arrastam a décimos de milímetro por segundo. O caderno do PAS pergunta quantos elétrons passam por segundo numa espira com 1 A, se um celular de 50 mA aguenta 50 horas numa bateria de 5 Ah e se a carga se acumula num resistor. O que, afinal, se move dentro de um fio, quanto disso passa, para que lado, e por que dezenas de miliampères num corpo humano importam mais que os 25 A de um chuveiro? Conteúdo e materiais de estudo
6 Resistência elétrica e leis de Ohm Dois fios saem do mesmo rolo de cobre e recebem a mesma tensão: um esquenta, o outro não. O chuveiro de 220 V tem exatamente 11 Ω, o filamento da lâmpada é um fio fininho enrolado, o fusível é um fio fino de propósito e a extensão comprida deixa a furadeira fraca. Que grandeza é essa, a resistência, que se mede dividindo volts por ampères, e de que depende: da tensão, do material, do comprimento ou da grossura do fio? Conteúdo e materiais de estudo
7 Potência elétrica A etiqueta do chuveiro diz 4 400 W e 220 V. Quem lê esses dois números sabe a corrente que ele puxa, a resistência que esquenta a água, quanto custa um banho de quinze minutos, qual disjuntor o protege e o que acontece se alguém o ligar numa tomada de 110 V. O PAS pergunta em que posição da chave o chuveiro esquenta mais, se a rede de 25 A aguenta a casa inteira ligada e quanto se perde numa linha de transmissão. O que é, afinal, potência elétrica, e por que a mesma grandeza aparece como Ui, Ri² e U²/R? Conteúdo e materiais de estudo
8 Associação de resistores No pisca-pisca antigo, uma lâmpada queimada apaga a fieira inteira; na sua casa, o chuveiro desliga e a geladeira nem percebe. Dois jeitos de ligar as mesmas peças dão comportamentos opostos: por que ligar resistores em paralelo diminui a resistência total, por que a lâmpada de maior resistência brilha mais em série e menos em paralelo, e como reduzir um circuito enrolado a um único resistor sem errar quem está ligado a quem? Conteúdo e materiais de estudo
9 Leis de Kirchhoff Num circuito com duas baterias e cinco resistores, o truque de somar série e juntar paralelo trava: nada está em série com nada, nenhum par está entre os mesmos dois pontos. Como descobrir a corrente em cada fio, e para que lado ela vai, quando o circuito não se reduz a um resistor só? Duas frases de conservação, uma sobre carga e outra sobre energia, viram um sistema de equações que resolve qualquer circuito, e foi exatamente isso que a prova de 2025 imprimiu, com matriz e tudo. Conteúdo e materiais de estudo
10 Geradores e receptores elétricos A bateria do carro marca 12 V no voltímetro, acende o painel e o rádio, mas o motor de partida só faz um estalo. A pilha da gaveta acende o LED da lanterna e não move o carrinho. Nos dois casos a fonte ainda tem a tensão da etiqueta quando ninguém pede corrente e a perde justamente quando a corrente cresce. O que há dentro de uma pilha ou de uma bateria que faz a tensão cair sob carga, quanto da energia gerada chega de fato ao aparelho, e por que o mesmo motor que consome energia se comporta como um resistor quando trava? Conteúdo e materiais de estudo
11 Capacitores O flash do celular dispara em um milésimo de segundo uma luz que a bateria sozinha não conseguiria dar; o desfibrilador implantado sob a pele de um cardíaco guarda 20 J e os despeja no coração em um milissegundo; o teclado do laptop sabe que o dedo chegou antes mesmo de ele apertar. Nos três casos há um componente que não é pilha nem resistor: duas placas separadas por um isolante, que acumulam carga separada e a devolvem quando se pede. Como um objeto tão simples guarda energia, de que depende quanto ele guarda, o que muda quando se enfia um isolante entre as placas e por que, num circuito de corrente contínua, ele se comporta como um fio aberto depois de carregado? Conteúdo e materiais de estudo
12 História da eletricidade Uma carta de março de 1800 descreve uma coluna de zinco, prata e pano salgado que dá choque sem parar e sem rã nenhuma; dezenove anos antes, em Bolonha, a perna de uma rã dissecada saltara ao toque de um bisturi enquanto uma Jarra de Leiden faiscava a metros dali. Quem tinha razão, o médico que viu eletricidade no animal ou o físico que a viu nos metais? Como se chegou do âmbar atritado dos gregos à luz elétrica de Campos dos Goytacazes em 1883, e por que a banca do PAS pergunta quem fez o quê, quando e depois de quem? Conteúdo e materiais de estudo
13 Campo magnético Uma chave de fenda imantada resgata o parafuso de aço do fundo da caixa e deixa no lugar a arruela de alumínio e o terminal de cobre. Serre um ímã para guardar o norte numa gaveta e o sul em outra, e cada gaveta recebe um ímã inteiro. E a agulha da bússola obedece, em Brasília, a um norte 22 graus a oeste do norte do mapa, puxada por um polo que, em polaridade, é sul e fica enterrado sob o Ártico. O que é esse campo que atravessa vidro e madeira, por que ele só agarra alguns metais, como se mede, que ordem de grandeza tem na Terra e dentro de um aparelho de ressonância, e em que ele difere do campo elétrico que a página anterior construiu? Conteúdo e materiais de estudo
14 Campo magnético de correntes Em 1820, durante uma aula, Hans Christian Oersted ligou um fio a uma pilha e a agulha da bússola ao lado girou. Ninguém encostou na agulha: um campo magnético nascido da corrente, ao redor do fio, foi o que a moveu. O mesmo fio enrolado num prego faz do prego um ímã enquanto houver corrente; é o eletroímã do guindaste de sucata, da campainha, do relé e de todo motor. Que forma tem esse campo, de que depende o seu módulo, como se descobre o sentido com a mão direita, por que uma espira se comporta como um ímã de barra, e como a banca cobra tudo isso em itens com figuras cheias de círculos, pontos e cruzes? Conteúdo e materiais de estudo
15 Força magnética Aproxime um ímã da tela de uma televisão de tubo e a imagem se torce: o ímã empurra os elétrons que desenham a imagem, e o empurrão para quando o ímã sai. Partículas vindas do Sol caem em espiral sobre os polos da Terra e acendem as auroras; um fio frouxo entre os polos de um ímã dá um pulo quando a corrente é ligada, e é esse pulo que gira todo motor elétrico. Nos três casos um campo magnético faz força sobre carga em movimento. De que depende essa força, para que lado ela aponta, por que ela curva a trajetória sem mudar a velocidade, como se calcula o raio do círculo, e como a banca transforma isso em itens com trajetórias, pontos e cruzes? Conteúdo e materiais de estudo
16 Indução eletromagnética O vidro do fogão de indução fica frio enquanto a água ferve na panela; o chip do cartão de ônibus, sem pilha nenhuma, acorda quando chega perto do leitor; o farol da bicicleta antiga só brilha enquanto a roda gira, embora o ímã dentro dele seja o mesmo com a roda parada. Carregador sem fio, fogão, cartão, farol e a usina de Itaipu obedecem a uma única regra: não é o campo magnético que produz corrente, é a MUDANÇA do campo que atravessa um circuito. O que é fluxo magnético, de que três jeitos ele muda, como a lei de Faraday mede a fem induzida, por que a lei de Lenz manda a corrente se opor à variação (e por que isso é conservação de energia), quanto vale a fem de uma barra que corre num campo, e como a banca cobra tudo isso? Conteúdo e materiais de estudo
17 Motores e transformadores O carregador do celular pesa 50 g, a caixa cinza do poste pesa 300 kg e o transformador de Itaipu pesa 200 toneladas, mas os três são a mesma máquina: duas bobinas num núcleo de ferro, sem nenhum fio ligando uma à outra. O liquidificador, o ventilador de teto, o elevador e o carro elétrico também são uma só máquina, o motor, que é o gerador da usina funcionando ao contrário. Como um alternador produz os 60 ciclos por segundo da rede, por que o transformador só funciona com corrente alternada, por que a energia viaja a 500 000 volts se a tomada entrega 220, como um motor gira sem travar a cada meia-volta, para onde vai a energia que ele não converte em movimento, e como a banca cobra tudo isso? Conteúdo e materiais de estudo
18 Ressonância magnética Antes de entrar na sala, você tira relógio, cinto, brincos e cartão, responde se tem marcapasso ou pino no osso, recebe um protetor de ouvido e deita numa mesa que desliza para dentro de um túnel branco; por vinte minutos a máquina bate como um martelo e, no fim, sai uma imagem do seu joelho em fatias, sem nenhum raio X. O que está dentro do túnel para exigir tanto cuidado? De onde vem o barulho? Como ondas de rádio e um ímã enxergam o interior do corpo, e por que esse exame não ioniza, enquanto a tomografia ioniza? E por que uma máquina dessas custa milhões e falta no interior do país? Conteúdo e materiais de estudo
19 Ondas eletromagnéticas A luz do Sol que se põe atrás da torre, o sinal que a torre troca com o celular e a luz da tela que você olha são a mesma coisa; o que muda de uma para a outra, por que todas chegam à mesma velocidade e por que uma bronzeia, outra esquenta o café e a terceira atravessa a sua mão? Conteúdo e materiais de estudo
20 Efeito fotoelétrico Por que uma lanterna vermelha, por mais forte que seja, não arranca um único elétron de uma placa de zinco, e uma lâmpada ultravioleta fraquinha começa a arrancá-los no mesmo instante em que é ligada, e o que essa placa tem a ver com a porta que abre sozinha no shopping, com a foto granulada que o celular tira no escuro e com o Nobel que Einstein ganhou, que não foi pela relatividade? Conteúdo e materiais de estudo
21 Física quântica Por que o filamento de uma lâmpada passa do vermelho fosco ao branco conforme a corrente aumenta, por que o hidrogênio aceso mostra quatro linhas finas em vez de um arco-íris, e por que, para explicar essas duas cores, a física teve de aceitar que a energia vem em degraus, que o elétron não tem trajetória e que o acaso pode ser da natureza, e não da nossa ignorância? Conteúdo e materiais de estudo
22 Relatividade A cada dia, o relógio de um satélite de GPS, a 20 mil quilômetros de altura e 14 mil quilômetros por hora, ganha 38 milionésimos de segundo sobre o relógio do seu celular; se ninguém corrigisse esse descompasso, a posição no mapa escorregaria 11 quilômetros por dia. Por que um relógio em movimento atrasa e um relógio longe da Terra adianta? Por que nada ultrapassa a luz, por que um grama de matéria vale a energia de uma usina, e como a mesma teoria que ajusta o GPS prevê que a luz curva ao passar pelo Sol, que Mercúrio desliza 43 segundos de arco por século e que dois buracos negros fazem o espaço tremer? Conteúdo e materiais de estudo
23 Cosmologia Toda foto do céu é uma carta atrasada: a luz de Andrômeda que chega hoje partiu há dois milhões e meio de anos, e um telescópio apontado para mais longe registra galáxias como eram há bilhões de anos, com a luz esticada para o vermelho tanto mais quanto mais distantes. Como uma medida de comprimento de onda vira a velocidade de uma galáxia, a velocidade vira distância e a distância vira a idade do universo? O que o Big Bang afirma de fato, que previsões ele fez antes de serem observadas, e como um modelo sobre algo que não se repete em laboratório pode ser ciência? Conteúdo e materiais de estudo
24 História da física moderna Em novembro de 1919, um jornal de Londres anunciou ideias newtonianas derrubadas com base em fotografias reveladas no Ceará. Vinte e cinco anos antes, o físico que melhor medira a velocidade da luz dissera que a física estava pronta e que o futuro cabia na sexta casa decimal. O que aconteceu nesse intervalo com o átomo, com a energia e com o tempo, quem deu cada passo, em que ordem, e por que a banca pergunta exatamente isso: quem, quando, antes ou depois de quem? Conteúdo e materiais de estudo