Aula 20-Prática de Ensino em Ciências da Natureza II-Eletromagnetismo ao alcance da Educação Básica, com o Professor Rafael, nesta sexta, 20

Atividade dessa semana. Cada estudante dessa disciplina de Prática de Ensino em Ciências da Natureza II, deve fazer um trabalho manuscrito sobre o conteúdo programático com mais detalhes dessa aula 20, tendo exercícios resolvidos.

O professor Rafael Rodrigues, do curso de Licenciatura em Física, do Centro de Educação e Saúde (CES) da UFCG, Campus Cuité, realizou, na última sexta-feira, a palestra sobre “Aplicações do eletromagnetismo ao alcance da Educação Básica”.

Ele iniciou falando o que é a teoria eletromagnética, levando ao conhecimento de uma teoria de unificação da eletricidade e o magnetismo, para os professores e estudantes de ciências do ensino fundamental e ensino médio. Essa foi a primeira teoria de unificação na Física. Há quem diga que Newton unificou a Física celestre com a Física na Terra. Mas, isso foi a aplicação da mesma teoria e não foi uma nova teoria.

A Sociedade Brasileira de Física comemorou pela primeira vez o dia do Físico, em 19 de maio de 2005, no centenário do ano miraculoso da Física,  referente aos 5 trabalhos de Albert Einstein, em 1905, o pai da Física moderna. A teoria da relatividade, o efeito fotoelétrico, o movimento Browniano, a sua tese de doutorado sobre o tamanho das moléculas e a famosa equação E=Mc², massa de repouso vezes a velocidade da luz no vácuo ao quadrado, sendo c=300.000km/s(quilômetro por segundo). 

No SI, torna-se:

c=3x10⁸m/s.

Note que podemos escrever a energia em termos do momento linear, p=mv(massa vezes a velocidade), ou seja,

 E=Mc²=pc.

Do ponto de vista quântico, a hípotese de Planck para a emissão da radiação de um corpo negro, a energia de cada pacote de luz, isto é, para cada fóton,  torna-se:

E=h𝛎, 

com h sendo a constante de Planck e 𝛎 é a frequência. Observe, que a energia não depende da intensidade e, sim, da frequência 𝛎=1/T, com T sendo o período. 

 

Veja a divulgação no jornal da 89.1 FM, rádio Cidade Cuité, apresentado pelos repórteres Ferreira Neto e Luciana.

  

Como  utilizar um aparelho multímetro(multiteste)?

  Para medir  a corrente elétrica, funcionando como um amperímetro, ligamos  em série e para medir a tensão elétrica(diferença de potencial-ddp), funcionado como um voltímetro ligamos no circuito em paralelo. Nas ligações em série, a corrente é a mesma e nas ligações em paralelo a ddp é a mesma.    

Medindo a tensão elétrica (diferença de potencial-ddp) de uma residência, você deve colocar na posição de  corrente alternada, pois as polaridades de positivo e negativo ficam oscilando o tempo todo.  Realmente, na tomada de uma residência não dá para a gente dizer que um terminal é positivo ou negativo. Pois, a corrente é alternada.

Veja o esquema de um circuito simples formado por uma bateria de 12V de corrente contínua, um fio e uma lâmpada. O amperimetro está acoplado em série para medir a corrente elétrica.

                                  

Vetor Campo elétrico resultante, usando a lei dos cossenos: o módulo do campo elétrico resultante da soma de dois vetores é a raiz quadrada da soma do quadrado de E_1 e do quadrado de E_2, menos duas vezes o produto de ambos campos e o cosseno de Theta, o ângulo formado entre os dois  campos elétricos.

 

   Transformação da energia eletromagnética em mecânica.

Veja mais imagens

As linhas de força são vizualizações imaginária  do campo elétrico, idealizadas por Faraday.

Linhas de força para duas partículas com cargas elétricas de sinais contrários: parte da partícula com carga elétrica postiva e chegam na  partícula com carga elétrica negativativa 

Exemplo numérico 1:  Considere uma partícula tendo  carga elétrica de instenciadade de 3e, no vácuo,  distante 3cm do ponto  P, em  que queremos saber o campo elétricco. Determine o módulo, direção e sentido do vetor campo campo elétrico nesse ponto.

Aplicação da Lei do Cossenos, no cálculo do vetor campo elétrico resultante da superposisão de dois campis elétricos.

Exemplo numérico 2: Campo Elétrico Resultante no Vértice de um Triângulo Equilátero, usando a lei dos cossenos. Considere um triângulo equilátero, no vácuo,  de lado L=3cm, tendo  cargas elétricas nos vértices da base, A e B com as mesmas intensidades de  5e, sendo  positiva a carga no vértice A e negativa a carga no vértice B. Determine o módulo, direção e sentido do vetor campo campo elétrico resultante, no outro vértice.

Solução

Como a soma dos ângulos de um triângulo é 180 graus, em um triângulo equilátero, que possui os três lados congruentes e os 3 ângulos internos iguais. concluímos que esse ângulo é 60 graus( 𝞹/30).

A direção e o sentido do campo campo elétrico resultante é horizontal, apontando para o Leste. 

O campo elétrico resultante é unidimensional e o seu módulo poderá ser calculado usando a lei dos cossenos, a qual, torna-se:

E=[E²_A+E²_B-2E_AE_Bcos(2𝞹/3)]^1/2

Note que, 

cos(2𝞹/3)=-sen(𝞹/3)=-1/2.

Vimos que o cosseno de 𝞹/3 é 0,5, isto é, cos(𝞹/3)=sen(𝞹/4)=1/2.

Portanto, o módulo do  campo elétrico resultante torna-se :

E=(E²_A + E²_B - E_A E_B)^1/2.

O campo elétrico resultante é a raíz quadrada da soma do quadrado da instensidade de cada campo, menos o produto do módulo de cada campo elétrico.

Complete. 

Lembre-se que a unidade do campo elétrico, no SI: N/C.

Lei de Coulomb

A lei de Coulomb,  para um par de partículas com cargas elétricas Q_1 e Q_2, separadas por uma distância d, fornece o módulo da força elétrica, podendo ser de atração ou de repulsão, a saber:

Unidades de carga elétrica e força elétrica, no SI, C e N, respectivamente.

O módulo do campo elétrico devido a fonte com a carga elétrica Q_A, é dado pela lei de Coulomb,

Analogamente, é calculado o campo elétrico devido a fonte com a carga elétrica Q_B, no outro vértice.

Note que a lei dos cossenos resulta no teorema de Pitágoras, quando os vetores campos elétricos forem perpendiculares.

 

De fato, neste caso, o módulo do  campo elétrico resultante torna-se:

E=[E²_1+E²_2 - 2E_1E_2cos(𝞹/2)]^1/2

   ⇔   E=(E²_1+E²_2)^1/2,

pois cos(𝞹/2)=0.     

Potencial elétrico

O potencial elétrico é uma grandeza física escalar. No caso de duas ou mais partículas com cargas elétricas diferentes o potencial elétrico em um ponto P é a soma algébrica dos valores dos potenciais de cada partícula. A unidade no SI é V(volts).

1V=J/C

(Joule/Coulmb)

Para uma partícula com carga Q, distante d do ponto onde desejamos calcular o potencial elétrico, obtemos:

O sinal do potencial elétrico depende do sinal da carga elétrica, podendo ser positivo ou negativo. 

Unidade de Energia kWh

Uma unidade de energia elétrica bastante utilizada na prática é o Quilowhats-hora(kWh)

Energia Elétrica é igual a  potência vezes o tempo de uso dos aparelhos elétricos. Portanto, como 1W=J/s e 1h=60 minutos=60x60 segundos=3600s, obtemos: 

1kWh=1000Wh=1000x3600J=3600.000J=3,6x10⁶J. 

Exemplo: Qual o consumo de energia elétrica de uma TV, ligada em 18000 minutos? Sabendo que a potência da TV é de 0,9W?

Solução

Pot=0,9W=900kW,  t=1800 minutos=30h

Portanto,   

En=Pot x t=900x30 kWh=27000kWh.

(Enem/2013) Um eletricista analisa o diagrama de uma instalação elétrica residencial para planejar medições de tensão e corrente em uma cozinha. Nesse ambiente existem uma geladeira (G), uma tomada (T) e uma lâmpada (L), conforme a figura. O eletricista deseja medir a tensão elétrica aplicada à geladeira, a corrente total e a corrente na lâmpada.







Para isso, ele dispõe de um voltímetro (V) e dois amperímetros (A).
Para realizar essas medidas, o esquema da ligação desses instrumentos está representado em:

(UFSCar) Nos ímãs, que são feitos de materiais criadores de campo magnético, como o ferro, os spins (ímãs elementares) dos elétrons apontam sempre na mesma direção: para cima ou para baixo. O que determina esse fator é a influência de outro campo magnético, como o da Terra.

(Revista Galileu, junho 2005.)

Em relação ao campo magnético, é correto afirmar que:

a) as linhas de indução em um campo magnético coincidem com as trajetórias descritas por cargas elétricas nele abandonadas.

b) o norte magnético de uma bússola aponta para o norte geográfico da Terra, próximo à região onde fica o norte magnético do imenso ímã que é nosso planeta.

c) em torno de uma espira circular em que circule corrente elétrica, origina-se um campo magnético, análogo ao de um ímã.

d) o campo magnético no interior de um solenoide é praticamente nulo e, externamente, é quase totalmente uniforme.

e) um ímã imerso em um campo magnético uniforme desloca-se, o que também ocorre com uma partícula carregada num campo elétrico.

Motor elétrico de Corrente contínua, usando  materiais alternativos

- Espira feita com fio de cobre esmaltado, tendo as extremidades raspadas

- Duas bases de arame de cobre

- Um pedaço de ímã de autofalante usado

- Um pilha de 1,5 volts

Medindo a corrente elétrica com um amperímetro e a tensão elétrica da lâmpada com um voltímetro. Veja o esquema abaixo.

                                    Lâmpada de 12 volts.

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