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quarta-feira, 15 de março de 2023

Aula 01-2022.2- Instrumentação em Ciência da Natureza e suas Tecnologias II, professor Rafael, nesta quarta, 15

 UFCG-2022.2

INSTRUMENTAÇÃO EM CIÊNCIA DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIA II: ELETROMAGNETISMO



Hoje, 15 de março, das 20:10h às 22h, 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 2022.2. 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 )cm=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.
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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, 
1Ao(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 2022.2

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.

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