Aula 01-2024.1- Instrumentação em Ciência da Natureza e suas Tecnologias II, professor Rafael, nesta quinta, 03

 UFCG-2024.1

INSTRUMENTAÇÃO EM CIÊNCIA DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIA II: ELETROMAGNETISMO

 

Um resumo dessa Aula 01

Hoje, 3 de Julho,  das 14h às 16h, teremos a aula 01 da disciplina de Instrumentação em Ciência da Natureza e suas Tecnologias II do curso de Licenciatura em Física da UFCG, campus Cuité-período letivo atrasado 2024.1. Esse vídeo é baseado nas aulas do RAE-UFCG do Professor Rafael Rodrigues.

O estudante da disciplina deve fazer um resumo manuscrito.

Iniciaremos definindo carga elétrica, eletrização dos corpos e o eletroscópio de duas folhas. Este aparelho que pode ser construído com material de baixo custo, serve para verificar se um corpo está carregado de eletricidade. Veremos nessa aula a lei de Coulomb, campo elétrico de uma partícula com carga elétrica e  o fenômeno de indução eletrostática, usando um canudo de refrigerante.

Lei de Coulomb

A Lei de Coulomb fornece a força elétrica que atua em um par de partículas com cargas elétricas. Ela não vale para uma placa carregada, um volume carregado ou uma linha de carga(um fio carregado).

A Lei de Coulomb vale somente para partícula. Considere duas partículas separadas por uma distância d e cargas elétricas Q_1 e Q_2. Verifica-se experimentalmente o seguinte:

(i) A força elétrica é proporcional ao produto das cargas elétricas

(ii) A força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância de separação.

Portanto, o módulo da força elétrica torna-se:

Questões de eletrostática; considere duas partículas no vácuo nas extremidades da hipotenusa deste triângulo, com cargas Q=2e, na extremidade inferior e q=3e, na extremidade superior, sendo (e) a carga elementar no SI. Determine a força elétrica sobre a partícula com carga q=2e. Com carga elementar no SI, 

e=1,6x10^-19C. 

Aqui C é a unidade de carga elétrica,  em homenagem ao cientista Coulomb.

Neste caso, não será necessário calcular a raiz quadrada. Pois, de acordo com a lei de Coulomb, a força elétrica é proporcional ao produto dos módulos das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância de separação entre elas.

Solução

Vemos que a hipotenusa ao quadrado é a soma do quadrado dos catetos, 16cm+9, ou seja,

d²=(4²+5² )cm² =25cm²⇒Lei de Coulomb 

F = k₀.IQI.IqI/d²                                  

A constante eletrostática, no vácuo,

k₀=1/( 4𝛑∈₀)=9x10⁹(Nm²)/C²

Note que antes de fazer as substituições na lei de Coulomb, atente para o sistema de unidades. A nossa sugestão é colocar todas as unidades no SI(sistema de unidades de medidas internacional). Neste caso, basta você transformar centímetro(cm) para metro(m).

Portanto, usando as propriedades de potência, obtemos:

1m=100cm=10²cm⇒1cm=(1/100)=10^-2m

Agora, basta substituir os números na equação da lei de Coulomb e no final você deve colocar a unidade de força no SI: N(Newton).

Campo de uma força.

Leia mais

^{Campo Gravitacional}

^{Todo corpo próximo da superfície da terra sofre a ação da força da gravidade, dizemos que ali existe um campo gravitacional Terrestre, cuja a aceleração da gravidade, no SI, torna-se:}  

g=980cm²/s²=9,8m²/s²

A força peso(força gravitacional é o produto da massa pela aceleração da gravidade, ou seja,

P=mg.

O campo gravitacional é sempre de atração. Observa-se que a aceleração da gravidade diminui com a altitude, na Lua a aceleração da gravidade é cerca de 6 vezes menor do que na Terra. Obviamente, se não existisse o campo gravitacional Terrestre a Lua seguiria em linha Reta se afastando do nosso planeta.  

^{Campo Elétrico de uma Partícula com Carga Elétrica} 

^{Analogamente, quando colocamos um objeto com carga elétrica em um ponto do espaço, se ele sofre a ação de uma força elétrica de atração ou repulsão, dizemos que naquele ponto existe um campo elétrico.} 

^{O cientista Maxwel, mostrou, em 1685, que o campo elétrico faz parte da onda eletromagnética(unificação do campo elétrico e campo magnético) se propagando no espaço com uma velocidade muito alta, a saber, no vácuo:  c=300.000km/s, ambos campos vibrando em direções perpendiculares a direção de propagação.}

Essa velocidade da luz no vácuo, v=c, no SI e na notação científica, lembrando-se que 1km=1000m,  torna-se: 

c=300.000km/s=300.000.000m/s= 3x10⁸m/s.

Na notação padrão da ciência ou notação científica, os valores das grandezas Físicas são escritos em potência de dez, na  seguinte forma:

 Ax10ⁿ, com 1<A<10 e n um número inteiro positivo ou negativo, para representar um número muito grande ou  um número muito pequeno, como o tamanho de um átomo, 

1A^o(Angston)=10^-10m.

O tamanho do núcleo de um átomo é dez mil vezes menor do que o tamanho do átomo, ou seja, o tamanho do átomo dividido por 10 mil, resultando  em 10^-14m.

^{O Campo elétrico é definido em um certo ponto do espaço, digamos, no ponto P da figura abaixo. Quando a fonte tiver uma carga elétrica positiva, o campo elétrico se afasta do ponto, onde queremos saber o seu valor.}

^{A força elétrica no ponto P tem a mesma direção do campo elétrico:}

Definição quantitativa do campo elétrico, no ponto P: para medir o campo elétrico gerado devido a uma fonte com carga elétrica  Q, coloca-se uma partícua com uma carga teste com carga elétrica q>0 no ponto P e medimos a força elétrica, devido ao par de cargas Q e q, ou seja,  

Como a força é um vetor o campo elétrico é um vetor. Neste caso, a direção do campo elétrico é a direção da força elétrica, representada na figura anterior. Unidade de campo elétrico  no SI: N/C(newton dividido por coulomb).

Portanto, usando a lei de Coulomb,  o campo elétrico de uma partícula com carga elétrica Q distante d do ponto P, torna-se:

E= k₀IQI/d²   

^{Note que a intensidade do campo elétrico não depende da carga teste q, colocada no ponto. Depende da intensidade da carga fonte e do quadrado da distância de separação.}

^{O desenho do vetor campo elétrico é sempre partido do ponto P.  Quando a fonte tiver uma carga elétrica negativa, o campo elétrico, tem origem no ponto e extremidade apontando em direção  da fonte.}

Enquanto que o campo gravitacional é sempre de atração, o  campo elétrico pode exerce uma foça de atração ou de repulsão. Quando a carga elétrica da fonte for positiva, o  campo elétrico se afasta do ponto P, no contrário, com a carga fonte negativa, o vetor campo elétrico é de aproximação, saindo do ponto em direção a fonte com  carga elétrica negativa.

EMENTA E OBJETIVOS

Curso de Licenciatura em Física da UFCG, campus Cuité.

 Período 2024.1

Componente Básico Obrigatório INSTRUMENTAÇÃO EM CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS II (PE6) Carga Horária/ Créditos: 60 horas/ 04 créditos. 

Pré Requisito: Instrumentação em Ciências da Natureza e suas Tecnologias I (PE4) 

Ementa: Planejamento e elaboração de recursos instrumentais para o ensino de ciências da natureza e suas tecnologias. Estratégias para desenvolvimento de habilidades e competências em: Equipamentos Eletromagnéticos e Telecomunicações. Imagem e Informação / Matéria e Radiação. Objetivo: Possibilitar a criação de um espaço de discussão de técnicas pedagógicas e utilização de material didático-experimental no ensino médio para a discussão de conceitos fundamentais em Ciências da Natureza e suas tecnologias. 

1.       AVALIAÇÃO:

Serão colocadas 3 notas no diário de classe: N_i=(6R_i+4L_i)/10, onde R_i=Média dos Relatórios e resumos dos vídeos apresentados pelo professor, L_i será a média das notas dos trabalhos (mini-projetos) e Listas de exercícios associados; i=1, 2, 3. As notas dos relatórios é aumentada em 2 pontos se tiver kits de eletromagnetismo. Será aprovado o aluno que obter média final (MF) maior ou igual a cinco, ou seja, MF=(6MA + 4PF)/10, onde PF é a nota da prova Final e MA é a média aritmética das notas N_1, N_2.e N_3. Será aprovado por média se MA for maior ou igual a 7,0.

Os critérios de avaliação referentes especificamente à construção e apresentação dos experimentos em forma de relatórios tendo uma capa, título, materiais utilizados, objetivos, fundamentação teórica, metodologia, orçamento, cronograma, referências bibliográficas. tendo descrição experimental e quando possível a sua aplicabilidade no dia a dia do estudante-educando,  do curso de licenciatura em Física. 

Nota 1-Projteos, Listas de exercícios e resumos dos vídeos. Eletrostática: carga elétrica, lei de Coulomb, campo elétrico, potencial e capacitor. 

Nota 2-Magnetóstica: , força magnética, campo magnético de um fio condutor e a Lei de Ampère, corrente elétrica e resistência. Lei de Ohm. Planejamento e montagem de kits de eletricidade: a eletrólise. Associação de Resistores. Planejamento e montagem de kits de Resistência elétrica: o chuveiro elétrico e o ferro elétrico.

Nota 3.  Planejamento e montagem de kits para medir a corrente elétrica induzida: Lei de Faraday. Motor Elétrico. Transformação de energia elétrica em energia mecânica.  Demonstrações de experiências simples sobre interferência e difração das ondas eletromagnéticas. Vários aspectos históricos do formalismo matemático das ondas eletromagnéticas: equações de Maxwell. Aspectos histórico da teoria da Luz: dualidade, onda ou partícula.

Bibliografia Básica: ALVARENGA, B.; MÁXIMO, A. Curso de Física. São Paulo: Editora Scipione, 2005. v. 2. BRASIL. Ministério da Educação e Desporto. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares para o Ensino Fundamental. Brasília, 1998. BRASIL. Ministério da Educação e Desporto. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio. Brasília, 1998. Bibliografia Complementar: REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FÍSICA. São Paulo: SBF, 2001-. Trimestral. Disponível em: REVISTA FÍSICA NA ESCOLA. São Paulo: SBF, 2000 -. Semestral. Disponível em: YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A.; FORD, A. L. Sears e Zemansky. Física III: Eletromagnetismo. 12. ed. São Paulo: Addison Wesley, 2009. GASPAR, A. Experiências de Ciências para o ensino fundamental. São Paulo: editor Ática, 2005. DELIZOICOV, D.; ANGOTTI, J. Metodologia do Ensino de Ciências. São Paulo: Cortez, 1990. ASSIS, A. K. T. Os fundamentos experimentais e históricos da eletricidade. 1. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2011. VALADARES, E. C. Física mais que divertida. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2000.

Minicurso

Na quinta-feira, 4, das 9:30h às 11h teremos a primeira aula presencial e online do minicurso  Técnica algébrica de supersimetria de sistemas quânticos unidimensionais. A segunda aula será à noite, na sexta-feira, das 19:30h às 21:30h. Teremos conteúdos assíncronos. Carga horária de 10h.

Local:  UFCG, campus Cuité.

As aulas serão disponíveis aqui neste link do blog ciências e educação. Para receber o certificado os estudantes deverão responder duas listas de exercícios enviadas  

https://rafaelrag.blogspot.com/2024/07/minicurso-tecnica-algebrica-de.html?m=1

Blog rafaelrag