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ELETROMAGNETISMO M
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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
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didática minuciosa aliada a uma extensa gama de exercícios e exemplos explicativos,
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este livro permite que os alunos desenvolvam habilidades de identificação, estabele- MI
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cimento, execução e avaliação de problemas. A
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Fundamental para estudantes dos cursos de graduação em matemática, física e para E
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todos os ramos da engenharia, esta 14a edição foi totalmente atualizada e revisada ISI
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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,
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ISBN 978-85-430-1591-0
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FÍSICA III
ELETROMAGNETISMO
14e
YOUNG & FREEDMAN
SEARS & ZEMANSKY
Book_SEARS_Vol3.indb 1 10/11/15 6:55 PM
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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.
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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]
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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
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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
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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
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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
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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
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