Física 3 Eletromagnetismo Halliday 10ª Edição PDF

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Halliday & Resnick Décima Edição

Jearl Walker Fundamentos de Física

Eletromagnetismo

LTC VOLUME TRÊS

Halliday & Resnick FUNDAMENTOS DE FÍSICA DÉCIMA EDIÇÃO

Eletromagnetismo

abdr ASOCCO BRASILEIRA DE DIREITOS REPROGRAFIC OS

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Grupo Editorial

Nacional O

GEN | Grupo Editorial Nacional, a maior plataforma editorial no segmento CTP (cienti fico, técnico e profissional), publica nas áreas de saúde, ciências exatas, jurídicas, sociais aplicadas, humanas e de concursos, além de prover serviços direcionados a educação, capacitação médica continuada e preparação para concursos. Conheça nosso catálogo, composto por mais de cinco mil obras e três mil e-books, em www.grupogen.com.br. As editoras

que integram o GEN, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e de estudantes de Administração, Direito, Engenharia, Enfer magem, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. Nossa missão é

prover o melhor conteúdo científico e distribuí-lo de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade, sem comprometer o cresci mento contínuo e a rentabilidade do grupo. VOLUME TRÊS

Halliday & Resnick FUNDAMENTOS DE FÍSICA

DÉCIMA EDIÇÃO

Eletromagnetismo JEARL WALKER CLEVELAND STATE UNIVERSITY

Tradução e Revisão Técnica

Ronaldo Sérgio de Biasi, Ph.D. Professor Emérito do Instituto Militar de Engenharia - IME

LTC Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os

detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, do tradutor, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem- vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail [email protected]. Traduzido de FUNDAMENTALS OF PHYSICS, VOLUME 2, TENTH EDITION Copyright © 2014, 2011, 2008, 2005 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-1-118-23073-2 (Volume 2) Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2016 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ — CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 [email protected] www.ltceditora.com.br Capa: MarCom | GEN Produção digital: Geethik CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ D272f 10. ed. v. 3 Halliday, David, 1916-2010 Fundamentos de física, volume 3 : eletromagnetismo / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker ; tradução Ronaldo Sérgio de Biasi. - 10. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2016. il. ; 28 cm. Tradução de: Fundamentals of physics, 10th ed. Apêndice Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85216-3208-5 1. Eletromagnetismo. 2. Física. I. Resnick, Robert, 1923-2014. II. Walker, Jearl, 1945-. III. Biasi, Ronaldo Sérgio de. IV. Título 16-29723 CDD: 530 CDU: 53

1 SUMÁRIO GERAL VOLUME 1 Medição 2 Movimento Retilíneo 3 Vetores 4 Movimento em Duas e Três Dimensões 5 Força e Movimento – I 6 Força e Movimento – II 7 Energia Cinética e Trabalho 8 Energia Potencial e Conservação da Energia 9Centro de Massa e Momento Linear 10Rotação 11Rolagem, Torque e Momento Angular 12131415161718192021222324252627VOLUME 2 Equilíbrio e Elasticidade

Gravitação Fluidos Oscilações Ondas – I Ondas – II Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica A Teoria Cinética dos Gases Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica VOLUME 3 A Lei de Coulomb Campos Elétricos Lei de Gauss Potencial Elétrico Capacitância Corrente e Resistência Circuitos 2829303132333435363738394041424344 VOLUME 4 Ondas Eletromagnéticas Imagens Interferência Difração Relatividade Fótons e Ondas de Matéria Mais Ondas de Matéria Tudo sobre os Átomos Condução de Eletricidade nos Sólidos Física Nuclear Energia Nuclear Quarks, Léptons e o Big Bang Campos Magnéticos Campos Magnéticos Produzidos por Correntes Indução e Indutância Oscilações Eletromagnéticas e Corrente Alternada Equações de Maxwell; Magnetismo da Matéria

SUMÁRIO 21-1 21-2 21-3 22-1 22-2 22-3 22-4 22-5 22-6 22-7 21 A Lei de Coulomb A LEI DE COULOMB O que É Física? Cargas Elétricas Condutores e Isolantes A Lei de Coulomb

A CARGA É QUANTIZADA A Carga É Quantizada A CARGA É CONSERVADA A Carga É Conservada REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 22 Campos Elétricos

O CAMPO ELÉTRICO O que É Física? O Campo Elétrico Linhas de Campo Elétrico

O CAMPO ELÉTRICO PRODUZIDO POR UMA PARTÍCULA CARREGADA O Campo Elétrico Produzido por uma Partícula Carregada O CAMPO ELÉTRICO PRODUZIDO POR UM DIPOLO ELÉTRICO

O Campo

Elétrico Produzido por um Dipolo Elétrico

O CAMPO ELÉTRICO PRODUZIDO POR UMA LINHA DE CARGA O Campo Elétrico Produzido por uma Linha de Carga

O CAMPO ELÉTRICO PRODUZIDO POR UM DISCO CARREGADO

O

Campo Elétrico Produzido por um Disco Carregado

UMA CARGA PONTUAL EM UM CAMPO ELÉTRICO Uma Carga Pontual em um Campo Elétrico

UM DIPOLO EM UM CAMPO ELÉTRICO Um Dipolo em um Campo Elétrico REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 23-1 23-2 23-3 23-4 23-5 23-6 24-1 24-2 24-3 24-4 24-5 23 Lei de Gauss FLUXO ELÉTRICO O que É Física? Fluxo Elétrico

LEI DE GAUSS Lei de Gauss Lei de Gauss e Lei de Coulomb

UM CONDUTOR CARREGADO Um Condutor Carregado APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS: SIMETRIA CILÍNDRICA Aplicações da Lei de Gauss: Simetria Cilíndrica

APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS: SIMETRIA PLANAR Aplicações da Lei de Gauss: Simetria Planar

APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS: SIMETRIA ESFÉRICA Aplicações da Lei de Gauss: Simetria Esférica

REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 24 Potencial Elétrico POTENCIAL ELÉTRICO O que É Física? Potencial Elétrico e Energia Potencial Elétrica

SUPERFÍCIES EQUIPOTENCIAIS E O CAMPO ELÉTRICO

Superfícies

Equipotenciais Cálculo do Potencial a Partir do Campo Elétrico

POTENCIAL PRODUZIDO POR UMA PARTÍCULA CARREGADA Potencial Produzido por uma Partícula Carregada Potencial Produzido por um Grupo de Partículas Carregadas

POTENCIAL PRODUZIDO POR UM DIPOLO ELÉTRICO

Potencial Produzido

por um Dipolo Elétrico

POTENCIAL PRODUZIDO POR UMA DISTRIBUIÇÃO CONTÍNUA DE CARGA Potencial Produzido por uma Distribuição Contínua de Carga

24-6 CÁLCULO DO CAMPO ELÉTRICO A PARTIR DO POTENCIAL Cálculo do Campo Elétrico a Partir do Potencial

24-7 ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA DE UM SISTEMA DE PARTÍCULAS CARREGADAS Energia Potencial Elétrica de um Sistema de Partículas Carregadas 24-8 POTENCIAL DE UM CONDUTOR CARREGADO Potencial de um Condutor Carregado

REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 25-1 25-2 25-3 25-4 25-5 25-6 26-1 26-2 25 Capacitância CAPACITÂNCIA O que É Física? Capacitância

CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA Cálculo da Capacitância

CAPACITORES EM PARALELO E EM SÉRIE Capacitores em Paralelo e em Série ENERGIA ARMAZENADA EM UM CAMPO ELÉTRICO Energia Armazenada em um Campo Elétrico

CAPACITOR COM UM DIELÉTRICO Capacitor com um Dielétrico Dielétricos: Uma Visão Atômica

DIELÉTRICOS E A LEI DE GAUSS Dielétricos e a Lei de Gauss REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 26 Corrente e Resistência CORRENTE ELÉTRICA O que É Física? Corrente Elétrica

DENSIDADE DE CORRENTE Densidade de Corrente RESISTÊNCIA 26-3 E RESISTIVIDADE Resistência e Resistividade 26-4 A LEI DE OHM A Lei de Ohm Uma Visão Microscópica da Lei de Ohm

26-5 POTÊNCIA, SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES A Potência em Circuitos Elétricos Semicondutores Supercondutores

REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 27-1 27-2 27-3 27-4 28-1 28-2 27 Circuitos CIRCUITOS DE UMA MALHA O que É Física? “Bombeamento” de Cargas Trabalho, Energia e Força Eletromotriz Cálculo da Corrente em um Circuito de uma Malha Outros Circuitos de uma Malha Diferença de Potencial Entre Dois Pontos

CIRCUITOS COM MAIS DE UMA MALHA Circuitos com Mais de uma Malha O AMPERÍMETRO E O VOLTÍMETRO O Amperímetro e o Voltímetro CIRCUITOS RC Circuitos RC REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS

O que É Física? O que Produz um Campo Magnético? A Definição de

28 Campos Magnéticos CAMPOS MAGNÉTICOS E A DEFINIÇÃO DE CAMPOS CRUZADOS: A DESCOBERTA DO ELÉTRON Campos Cruzados: A Descoberta do Elétron

28-3 CAMPOS CRUZADOS: O EFEITO HALL Campos Cruzados: O Efeito Hall 28-4 UMA PARTÍCULA CARREGADA EM MOVIMENTO CIRCULAR Uma Partícula Carregada em Movimento Circular

28-5 CÍCLOTRONS E SÍNCROTRONS Cíclotrons e Síncrotrons 28-6 FORÇA MAGNÉTICA EM UM FIO PERCORRIDO POR CORRENTE Força Magnética em um Fio Percorrido por Corrente

28-7 TORQUE EM UMA ESPIRA PERCORRIDA POR CORRENTE Torque em uma Espira Percorrida por Corrente

28-8 O MOMENTO DIPOLAR MAGNÉTICO O Momento Dipolar Magnético REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 29-1 29-2 29-3 29-4 29-5 30-1 29 Campos Magnéticos Produzidos por Correntes O CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR UMA CORRENTE O que É Física? Cálculo do Campo Magnético Produzido por uma Corrente

FORÇAS ENTRE DUAS CORRENTES PARALELAS Forças entre Duas Correntes Paralelas

LEI DE AMPÈRE Lei de Ampère SOLENOIDES E TOROIDES Solenoides e Toroides

RELAÇÃO ENTRE UMA BOBINA PLANA E UM DIPOLO MAGNÉTICO Relação entre uma Bobina Plana e um Dipolo Magnético

REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 30 Indução e Indutância LEI DE FARADAY E LEI DE LENZ O que É Física? Dois Experimentos A Lei de Indução de Faraday A Lei de Lenz

30-2 INDUÇÃO E TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA Indução e Transferências de Energia

30-3 CAMPOS ELÉTRICOS INDUZIDOS Campos Elétricos Induzidos 30-4 INDUTORES E INDUTÂNCIA Indutores e Indutância 30-5 AUTOINDUÇÃO Autoindução 30-6 CIRCUITOS RL Circuitos RL 30-7 ENERGIA ARMAZENADA EM UM CAMPO MAGNÉTICO Energia Armazenada em um Campo Magnético

30-8 DENSIDADE DE ENERGIA DE UM CAMPO MAGNÉTICO

Densidade de

Energia de um Campo Magnético

30-9 INDUÇÃO MÚTUA Indução Mútua REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 31-1 31-2 31-3 31 Oscilações Eletromagnéticas e Corrente Alternada OSCILAÇÕES EM UM CIRCUITO LC O que É Física? Oscilações em um Circuito LC: Análise Qualitativa Analogia Eletromecânica Oscilações em um Circuito LC: Análise Quantitativa

OSCILAÇÕES AMORTECIDAS EM UM CIRCUITO RLC Oscilações Amortecidas

em um Circuito RLC

OSCILAÇÕES FORÇADAS EM TRÊS CIRCUITOS SIMPLES Corrente Alternada Oscilações Forçadas Três Circuitos Simples

31-4 O CIRCUITO RLC SÉRIE O Circuito RLC Série 31-5 POTÊNCIA EM CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA Potência em Circuitos de Corrente Alternada

31-6 TRANSFORMADORES Transformadores REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS 32-1 32-2 32-3 32-4 32-5 32-6 32-7 32-8 32 Equações de Maxwell; Magnetismo da Matéria LEI DE GAUSS PARA CAMPOS MAGNÉTICOS O que É Física? Lei de Gauss para Campos Magnéticos

CAMPOS MAGNÉTICOS INDUZIDOS Campos Magnéticos Induzidos CORRENTE DE DESLOCAMENTO Corrente de Deslocamento Equações de Maxwell

ÍMÃS PERMANENTES Ímãs O MAGNETISMO E OS ELÉTRONS O Magnetismo e os Elétrons Propriedades Magnéticas dos Materiais

DIAMAGNETISMO Diamagnetismo PARAMAGNETISMO Paramagnetismo FERROMAGNETISMO Ferromagnetismo REVISÃO E RESUMO PERGUNTAS PROBLEMAS ABCDEFGAPÊNDICES O Sistema Internacional de Unidades (SI) Algumas Constantes

Fundamentais da Física Alguns Dados Astronômicos Fatores de Conversão Fórmulas Matemáticas Propriedades dos Elementos Tabela Periódica dos Elementos RESPOSTAS dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares

PREFÁCIO POR QUE ESCREVI ESTE LIVRO Diversão com um grande desafio. É assim que venho encarando a física desde o dia em que Sharon, uma das alunas do curso que eu estava ministrando como aluno de doutorado, me perguntou de repente: — O que isso tem a ver com minha vida? Respondi prontamente: — Sharon, isto é física! Tem tudo a ver com a sua vida! A moça me pediu um exemplo. Pensei muito, mas não consegui encontrar nenhum. Nessa noite, criei O Circo Voador da Física para Sharon, mas também para mim, porque percebi que o problema de Sharon também era meu. Eu tinha passado seis anos estudando em dezenas de livros de física escritos com a melhor das intenções, mas alguma coisa estava faltando. A física é o assunto mais interessante do mundo porque descreve o modo como o mundo funciona, mas não havia nos livros nenhuma ligação com o mundo real. A diversão estava faltando. Procurei incluir muita física do mundo real neste livro, ligando-o à nova edição de O Circo Voador da Física (LTC, 2012). Boa parte dos assuntos vem das minhas aulas, onde posso julgar, pelas expressões e comentários dos alunos, quais são os assuntos e as apresentações que funcionam. As anotações que fiz a respeito de meus sucessos e fracassos ajudaram a estabelecer as bases para este livro. Minha mensagem aqui é a mesma que dei para todos os estudantes que encontrei desde o dia em que Sharon fez aquele comentário: — Sim, você pode usar os conceitos básicos da física para chegar a conclusões válidas a respeito do mundo real, e é nesse entendimento do mundo real que está a diversão. Tive muitos objetivos ao escrever este livro, mas o principal foi proporcionar aos professores um instrumento por meio do qual eles possam ensinar os alunos a estudar assuntos científicos, identificar conceitos fundamentais, pensar a respeito de questões científicas e

resolver problemas quantitativos. Esse processo não é fácil, nem para os alunos nem para os professores. Na verdade, o curso associado a este livro pode ser um dos mais difíceis do currículo. Entretanto, pode ser também um dos mais interessantes, pois revela os mecanismos fundamentais do mundo, responsáveis por todas as aplicações científicas e de engenharia. Muitos usuários da nona edição (professores e alunos) enviaram comentários e sugestões para aperfeiçoar o livro. Esses melhoramentos foram incorporados à exposição e aos problemas desta edição. A editora John Wiley & Sons e eu encaramos este livro como um projeto permanente e gostaríamos de contar com uma maior participação dos leitores. Sinta-se à vontade para enviar sugestões, correções e comentários positivos ou negativos para John Wiley & Sons 1 ou Jearl Walker (endereço postal: Physics Department, Cleveland State University, Cleveland, OH 44115 USA; endereço do meu site: www.flyingcircusofphysics.com). Talvez não seja possível responder a todas as sugestões, mas lemos e consideramos cada uma delas.

O QUE HÁ DE NOVO NESTA EDIÇÃO? Módulos e Objetivos do Aprendizado “— O que eu deveria ter aprendido nesta seção?” Os alunos vêm me fazendo essa pergunta há décadas, independentemente de serem bons ou maus alunos. O problema é que mesmo os alunos mais atentos podem não ter certeza de que assimilaram todos os pontos importantes de uma seção do livro. Eu me sentia da mesma forma quando estava usando a primeira edição de Halliday e Resnick no primeiro ano da faculdade. Nesta edição, para minimizar o problema, dividi os capítulos em módulos conceituais, dedicados a temas básicos, e comecei cada módulo com uma lista de objetivos do aprendizado desse módulo. A lista é uma declaração explícita dos conhecimentos que devem ser adquiridos através da leitura do módulo e é seguida por um breve resumo das ideias-chave que também devem ser assimiladas. Para você ter uma noção de como o sistema funciona, observe o primeiro módulo do Capítulo 16, em que o estudante se vê diante de um grande número de conceitos e definições.

Em vez de deixar por conta do aluno a tarefa de identificar e dissecar essas ideias, tomei a iniciativa de fornecer uma lista que funciona como a lista de verificação consultada pelos pilotos de avião antes de cada decolagem. Capítulos Reformulados Como meus alunos continuavam a ter dificuldades em alguns capítulos importantes e em certos tópicos de outros capítulos, reescrevi boa parte do texto. Assim, por exemplo, introduzi mudanças profundas nos capítulos a respeito da lei de Gauss e do potencial elétrico, que a maioria dos estudantes considerava de difícil compreensão. As apresentações agora são mais enxutas e têm uma ligação mais direta com as ideias-chave. Nos capítulos que tratam da Mecânica Quântica, expandi o estudo da equação de Schrödinger para incluir a reflexão de ondas de matéria por um degrau de potencial. Atendendo a sugestões de vários professores, separei a discussão do átomo de Bohr da solução de Schrödinger do átomo de hidrogênio para que o professor possa omitir o relato histórico do trabalho de Bohr, se assim desejar, sem prejudicar a compreensão do assunto. Incluí também um novo módulo a respeito da radiação de corpo negro de Planck. Novos Exemplos, Perguntas e Problemas Dezesseis novos exemplos foram introduzidos nos capítulos para facilitar a compreensão de alguns tópicos considerados difíceis pelos alunos. Além disso, cerca de 250 problemas e 50 perguntas foram acrescentados às listas de exercícios do final dos capítulos. Alguns dos problemas foram recuperados de edições anteriores do livro, a pedido de vários professores. _______________ 1Sugestões, correções e comentários positivos ou negativos em relação à edição em língua portuguesa publicada pela LTC Editora devem ser enviados para [email protected].

AGRADECIMENTOS Muitas pessoas contribuíram para este livro. Sen-Ben Liao do Lawrence Livermore National Laboratory, James Whitenton, da Southern Polytechnic State University, e Jerry Shi, do Pasadena City College, foram responsáveis pela tarefa hercúlea de resolver todos os problemas do livro.

Na John Wiley, o projeto deste livro recebeu o apoio de Stuart Johnson, Geraldine Osnato e Aly Rentrop, os editores que o supervisionaram do início ao fim. Agradecemos a Elizabeth Swain, a editora de produção, por juntar as peças durante o complexo processo de produção. Agradecemos também a Maddy Lesure pela diagramação do texto e pela direção de arte da capa; a Lee Goldstein, pela diagramação da capa; a Helen Walden, pelo copidesque; e a Lilian Brady, pela revisão. Jennifer Atkins foi brilhante na busca de fotografias inusitadas e interessantes. Tanto a editora, John Wiley & Sons, Inc., como Jearl Walker gostariam de agradecer às seguintes pessoas por seus comentários e ideias a respeito das recentes edições: Jonathan Abramson, Portland State University; Omar Adawi, Parkland College; Edward Adelson, The Ohio State University; Steven R. Baker, Naval Postgraduate School; George Caplan, Wellesley College; Richard Kass, The Ohio State University; M.R. Khoshbin-e-Khoshnazar, Research Institution ...