Aula 7 - Instrumentação II - Professor Rafael - Período 2022 2. Diferença de Potencial Elétrico, nesta quarta, 05

 INSTRUMENTAÇÃO EM CIÊNCIA DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS II

Camille Rodrigues, parabenizando o seu pai, professor Rafael Rodrigues, que completou uma nova idade, no dia 27-3-23.

O Cristo Redentor abençoando a cidade de Cuité.

A aula 07, do período atrasado 2022.2 da UFCG, nesta quarta-feira, 05, das 20:10 às 22h da disciplina de instrumentação em ciência da Natureza e suas Tecnologias II, no nível da educação básica, cujo conteúdo programático será sobre as grandes=zas Físicas escalares de eletrostática: diferença de potencial(ddp) e potencial elétrico e no final introduziremos o conceito de capacitor. Este é um importante dispositivo eletrônico em aparelho elétrico. 

O conceito de ddp(tensão elétrica) e potencial elétrico nesta aula é visto no terceiro ano do ensino médio. A tensão elétrica nas residências da Paraíba é de 220V, no Rio de Janeiro é 110V(volts). Se você levar um apraelho elétrico da Paraíba para o RJ e ligar em uma tomada ele não queima, mas não funcionará. No caso contrário, se você ligar um aparelho de 110V em uma tomada da PB ele irá queimar.  Em ambos casos, será preciso um transformador.

Em eletrostática já vimos duas grandezas Físicas vetoriais: força elétrica e campo elétrico.

 

Faça um resumo de ddp e potencial elétrico no papel, usando o livro e as informações do professor Rafael.

Diferença de potencial (Tensão elétrica)  e Capacitores

Definição da ddp=trabalho/carga=W/q.

A diferença de potencial(Ddp) entre dois pontos, é definido como o trabalho eletrostático realizado entre os pontos A e B divido pela valor da carga da partícula que se move.

Ddp=V_A-V_B=W(AB)/q,

com V_A e V_B sendo os potenciais nos pontos, respectivamente, A e B.

Se o campo elétrico eletrostático for uniforme, a força elétrica também será, 

F=qE,

digamos que a partícula com carga q se desloque uma distância d,  obtemos:

W(AB)=Fd,

Portando, 

V_A-V_B=W(AB)/q=Eqd/q=Ed, 

ou seja, a ddp é o produto do campo elétrico pela distância percorrida,

 ddp=V_A-V_B=Ed.

Aqui estamos considerando que a distência entre os pontos A e B é d.

A carga elétrica  Q é também uma grandeza Física escalar.

O que significa ligar um ferro elétrico na tomada, em uma residência na Paraíba, tendo uma tensão de 220V? Resposta no final desta postagem. Primeiro tente responder sozinho. 

Propriedades do Potencial Elétrico

Considere uma partícula com carga elétrica Q, distante d de um ponto O, o potencial elétrico é dado por

V_1=K (q_1/ d_1).

Unidade de potencial elétrico no SI: V(volts).

A constante eletrostática K, no vácuo e no SI, é representada com um índice inferior 0(zero), ou seja,

K_0=9x10⁹ (Nm²)/C²)

Notação em potência de dez 10² = dez ao quadrado. 

Unidades de medidas no SI: C=Coulomb é a unidade de carga elétrica, N=unidade de força e m=metro.

Note também que em nossa notação, q/d, significa q dividido por d.

Em uma residência medimos com um voltímetro a tensão ou ddp=diferença de potencial, ligando o em paralelo  Por exemplo, a tensão elétrica  na sua residência na Paraíba,  é 220V, (V=volts é a unidade de tensão e de potencial elétrico no SI). No Rio de Janeiro é 110V. Na linguagem coloquial, a tensão é denominada de voltagem.

O potencial elétrico de uma distribuição de partículas carregadas é a soma algébrica do potencial de cada partícula, podendo ser positivo ou negativo dependo do sinal das cargas elétricas. Considerando 4 partículas com cargas elétricas em diferentes posições, o potencial elétrico total em um ponto O, distante d_1, d_2, d_3 e d_4, respectivamente, obtemos:

V=V_1+V_2+V_3+ V_4.

Com

V_i=K(q_i)/(d_i), i =1, 2, 3, 4.

K é a constante eletrostática do meio. Na água é k=k_0/40.

Carga puntiforme, significa uma partícula com carga elétrica. Realmente a teoria apresentada nesta postagem é válida somente para partícula, não valendo para um corpo carregado. No caso de uma distribuição contínua de carga elétrica, teríamos que usar o cálculo diferencial e integral simples, dupla ou tripla. Afirmações do professor Rafael Rodrigues (UFCG, campus Cuité).

Linhas de força

As linhas de força(LF) do campo elétrico foram idealizadas por Faraday, para visualizar o campo elétrico. No caso de duas partículas com cargas elétricas de sinais contrários, elas partem das partículas com carga elétrica positiva e chegam naquela com carga negativa. As LF nunca se cruzam. O vetor campo elétrico é tangente as LF.  Se as LF se cruzarem teríamos duas direções para um úncio campo elétrico e, por isso, não é permeitido.  O número de LF aumenta com o aumento da intensidade do campo elétrico. 

Quando abandonamos uma partícula com carga elétrica q>0 em um campo elétrico, ela se deslocará sob a ação da força elétrica, realizando um trabalho positivo, se o deslocamento e a força elétrica estiverem no mesmo sentido, caso contrário, o trabalho eletrostático será negativo.

Michael Faraday nasceu em 22 de setembro de 1791 e morreu em 25 de agosto de 1867. Em 1834, ele descobriu que variando o fluxo magnético em uma espira fechada se produz o campo magnético. Esta lei de indução eletromagnética de Faraday  será visto depois de ser introduzido o conceito de corrente elétrica.  Ele é  conhecido como o pai da eletricidade e contribuiu também para o desenvolvimento da Química. Ele descobriu a eltrólise e o diamagnetismo.

Capacitância de um Capacitor

O capacitor é um dispositivo eletrônico que serve para armazenar carga elétrica e energia. Ele é composto por duas armaduras condutoras separadas por um certo meio, sendo uma armadura com carga +Q e a outra com -Q. 

Você pode usar uma bateria de 12V para carregar as placas de um capacitor de placas planas e paralelas. No início, as placas estão descarregadas. Quando você conectar cada uma nos dois terminais positivo e negativo da bateria, iniciará o movimento dos elétrons. 

A explicação estará no final da aula de hoje. Iniciaremos o vídeo com um resumo do que foi visto sobre lei de Coulomb e o campo elétrico de particulas com cargas elétricas.

Verifica-se experimentalmente que a  carga elétrica Q armazenada no capacitor é proporcional a ddp(V), sendo a constante de proporcionalidade C denominada de capacitância do capacitor, isto é,   

C=Q/V, 

com V sendo a ddp e Q o módulo da carga elétrica na placa condutora, em geral, são placas de metal. separadas por um material dielétrico colocada entre elas. O dielétrico é um material isolante, constituído de cerâmica, porcelana ou o ar. Note que a carga elétrica total do capacitor é nula.

Carga puntiforme, significa  uma partícula com carga elétrica. Realmente está teoria apresentada nesta postagem é válida somente para partícula, não valendo para um corpo carregado. No caso de uma distribuição contínua de carga elétrica,  teríamos que usar o cálculo diferencial e integral.  Afirmações do professor Rafael Rodrigues (UFCG,  campus Cuité).

Uma partícula com carga elétrica q>0 é abandonada em repouso em um ponto A de um campo eletrostático, gerado por uma carga elétrica puntiforme Q>0, fixa num ponto O.

Sob ação da força eletrostática a partícula se desloca espontaneamente de A até B. Neste deslocamento a força eletrostática realiza um trabalho positivo (força e deslocamento têm o mesmo sentido, conforme mostra a figura 1. Observe que o potencial elétrico em A é maior do que em B (V_A > V_B).

Se a carga elétrica q fosse negativa ela se deslocaria espontaneamente de A para C e também, neste caso, a força eletrostática teria o sentido do deslocamento e realizaria um trabalho positivo (figura 2).

O potencial elétrico no ponto C  é maior do que no ponto A (V_A < V_C).

Unidade no SI de Capacitância: F(farad) 

Resposta a questão acima.

O que significa um ferro de passar roupa ligado na tomada de uma residência da P B? Significa que o ferro vai realizar um trabalho de ___, para deslocar uma particula com a a carga elétrica de ___.

Na próxima aula, na quarta-feira, 12, iremos responder a pergunta do que a matéria é composta? 

A lista de exercícios sobre tensão elétrica e potencial segue em PDF.

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