Mestrado e Doutorado em Física - PDF
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Diego Marroquim Nunes
1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO FUNDAÇÃO Instituída nos termos da Lei nº 5.152, de 21/10/1996 São Luís Maranhão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA Exame de Seleção Mestrado e Doutorado em Física 1º Semestre de ª Prova 05/02/2014 Mecânica Estatística e Eletromagnetismo Instruções Cada prova tem duração de 4 horas. Não se identifique no caderno de respostas. Não é permitido consulta a materiais bibliográficos que não o formulário entregue junto com a prova, o qual deve ser devolvido no final da prova. Não é permitida a utilização de equipamentos eletrônicos tais como celulares, calculadoras e outros. Responda a questão na folha indicada para cada questão. Caso seja necessário utilizar mais de uma página, solicite uma folha extra, registrando seu código e questão nos campos indicados. Para borrão, utilize as folhas indicadas como borrão no final de cada caderno de prova. É importante salientar que as respostas contidas nessas folhas não serão consideradas. Candidato Av. dos Portugueses, S/N Campus Universitário do Bacanga São Luís MA Fone: (098)
2 Candidato Q1 - Termodinâmica de um sistema magnético Uma porção de n moles de uma substância paramagnética é usada como sistema termodinâmico para construir uma máquina de Carnot. A equação de estado dessa substância é H H nd, T onde H é o campo magnético, T é a temperatura absoluta e D é uma constante característica da substância. (a) Mostre que a energia interna e capacidade calorífica isto é, não dependem da magnetização. (0,5 pontos) (b) Considere agora que CM no plano ( H M). (0,5 pontos) CM dependem apenas da temperatura, Cé constante. Faça um esboço do diagrama de um ciclo de Carnot (c) Calcule o calor total absorvido pela máquina de Carnot correspondente. (1,0 ponto) (d) Calcule o trabalho realizado pela máquina de Carnot correspondente. (1,0 ponto) (e) Verifique a eficiência do ciclo de Carnot. (1,0 ponto) Q2 - Gás ideal no ensemble canônico Um gás ideal consistindo de N massas pontuais está contido em um recipiente de volume V. (a) Determine a função de partição do sistema. (0,5 pontos) (b) Calcule energia livre de Helmholtz. (0,5 pontos) (c) Calcule a entropia e o potencial químico e comente seus respectivos comportamentos assintóticos no limite de altas e baixas temperaturas. (1,0 ponto) (d) Calcule a energia interna e o calor específico e comente seus respectivos comportamentos assintóticos no limite de altas e baixas temperaturas. (1,0 ponto) Suponha agora que o gás ideal está contido em um cilindro de raio R e comprimento L. O cilindro roda em torno de seu eixo com uma velocidade angular constante, está em equilíbrio térmico a temperatura T e não sofre efeitos de gravitação. O Hamiltoniano que descreve o movimento em um sistema de coordenadas rodando é H H L, onde H é o Hamiltoniano no sistema de coordenadas em repouso e L é o momento angular. (e) Escreva o Hamiltoniano do sistema na sua forma explícita. (1,0 ponto) (f) Calcule a distribuição de densidade do gás ideal no interior do cilindro. (1,0 ponto)
3 (g) Calcule a função de partição do sistema. (1,0 ponto) Dados úteis: Primeira lei da Termodinâmica: du dq dw Trabalho generalizado: dw pdv JdL da E dp H dm dq jdn j j Q3 - Cargas estáticas são distribuídos ao longo do eixo x (unidimensional) no intervalo a x a. A densidade de carga é x ', x' a, 0, x' a. a) Escreva uma expressão para o potencial eletrostático x num ponto x do eixo em termos de x '. (1,0 ponto) b) Deduza uma expansão multipolar para o potencial para x a. (1,0 ponto) c) Para cada configuração de carga dada na Figura. 1, encontrar (3,0 pontos) i. a carga total Q dx ', ii. o momento dipolar P x ' dx ', Q 2 x ' dx ', iii. o momento quadrupolar 2 xx iv. o termo principal (em potências de 1/ x ) do potencial no ponto x a. Figura 1
4 Q4 - Um capacitor cilíndrico tem um condutor interno de raio r 1 e um condutor externo do raio r 2. O condutor externo esta aterrado e o condutor interno esta submetido a um potencial positivo V. Calcular em termos de V0, r1 e r 2, 0 a) o campo elétrico em r? r r r (1,0 ponto) 1 2 b) qual é o potencial de r? (1,0 ponto) c) Se uma pequena carga Q negativa que está inicialmente em r se desloca para r 1, em quanto muda a carga sobre o condutor interno? (1,0 ponto) Q5 - Uma força constante F é aplicada a um fio de massa m e longitude. O fio parte do repouso. O fio se move através de uma região onda há um campo magnético uniforme B. O plano de movimento do fio é perpendicular ao campo magnético. Suponha que não há atrito nos contatos e que a autoindutância do circuito pode ser ignorado (vide Figura 2). a) Calcular a velocidade do fio, como uma função do tempo. (1,0 ponto) b) Calcular a corrente através da resistência R, como uma função do tempo. Qual é o sentido da corrente? (1,0 ponto) Figura 2