Aula 01-Instrumentação II-2023.1-Carga Elétrica, Lei de Coulomb e Campo Elétrico. Professor Rafael Rodrigues, nesta quinta, 27

 

Pêndulo eletrostático do estudante Daniel Vasconcelos do curso de Licenciatura em Física, da UFCG, campus Cuité-PB, apresntado na disciplina de Instrumentação em Ciência da Natureza suas Tecnologias II, período atrasado 2022.2, ministrada pelo professsor Rafael Rodrigues.

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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.

1)  considere duas partículas no vácuo nas extremidades de uma haste na vertical, de comprimento 4cm, tendo um elétron na extremidade inferior e dois prótons na extremidade superior, sendo (e) a carga elementar no SI. Determine a força elétrica sobre o elétron. 

Solução

q=-e=-1,6x10^-19C.

Q=2e=3,2x10^-19C.

Como a carga elementar no SI, 

e=1,6x10^-19C.

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

d=4cm=0,04m=   4x10^-2 m ⇒ d²= 16x10^-4m² 

A constante eletrostática no vácuo,

k₀=1/( 4𝛑∈₀)=9x10⁹(Nm²)/C²

^Com  

∈₀=1/( 4𝛑k₀)

sendo a constante de permissividade elétrica no vácuo.

Lei de Coulomb, para duas part;icupas com cargas Q e q.

⇒ F = k₀.IQI.IqI/d²                                  

Como todos os dados estão no SI, badsta substituir os valores numéricos de cada um na equação a força elétrica, ou seja, 

⇒ F =   9x10⁹ x 3,2x10^-19  x1,6x10^-19/16x10^-4  

⇒ F = 9x 3,2x10^9-19-19+41,6/16

Note que, 

1,6/16=16x10^-1/16=10^-1

Portanto, obtemos a seguinte intensidade da força elétrica:

⇒ F = 9x 3,2x10^9-19-19+4-1

⇒ F =  3x10^-25 N 

2) Considere que três pontos materiais estão eletrizados com a seguinte distribuição de particulas, no vácuo,  com cargas positivas:

Q_a = 3e, Q_b = 6e,  Q_c = 2e.

Sendo o vácuo o meio considerado (K_0 = 9x10⁹ Nm²/C²), calcule a resultante da força atuante sobre a  partícula b, tendo a seguinte distribuição de particulas com cargas elétricas, em uma linha horizontal. 

A partícula "a" está na origem, "b" está a 3cm de "a", "c" está a 2cm de "b".

Solução

Como  todos os dados  não estão no SI, o primeiro passo será transformar as distância de centímetro para metro.

d_a=0, d_b=3cm=0,03m. d_c=3cm+2cm= 5cm=0,05m.

Complete a resposta.

A Lista 01 de exercícios segue em PDF.

O cientista Maxwell, 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 cienvátífica, lembrando-se que 1km=1000m,  torna-se: 

c=300.000km/s= c=300.000.000m/s= 3x10⁸m/s. Ela é a mesma para qualquer observador, a constância da velocidade da Luz no vácuo é o princípio um dos dois princípio da relatividade especial de einstein.

No caso de objeto com peqenas velocidades(v<<c) é válida o princípio da relatividade de Galileu: a velocidade de dois carros se movimentando com ve;ociadades v e Vem sentido  opostos, a velociadade relativa(VR) é a soma(VR=v+V) e no caso do deslocamento  no mesmo sentido, a velociadade relativa é a subtração(VR=v-V).

Em 1905, Einstein mostrou que a Luz é composta de partículas(pacote de energia com massa nula), quando ela interagem com a matéria. Isso aconteceu, quando ele estava trabalhando em um escritório de patente, estudando sozinho nas horas vagas,  para explicar o efeito fotoelétrico teve que assumir que a luz se comporta como partícula. 

Com a comprovação deste fenômeno ocorre o o que chamamos de dualidade da Luz, ou seja, quando a luz se propaga ela se comporta como uma onda eletromagnética, sofreno interferência e difração. Quando  a luz interage com a matéria ela se comporta como partícula, o que está de acordo com o modelo corpuslar da luz proposto por Newton, em 1627. 

Em 1924, o conceito de dualidade da luz foi extendio para as partículas. O francês Louis De Broglie propôs em sua tese de doutorado que o elétron poderia ter um comprimento de onda, exibindo as propriedades de difração e interferência.

 Em 1926, o austríaco Schrödinger propôs uma equação de onda para as partículas, cuja solução é uma função de onda, que carrega toda informação sobre a particula e fonece a quantização da energia.

Como elaborar um Projeto científico?

Como orientação para os estudantes das disciplinas que exigem um relatório técnico científico, o professor Rafael Rodrigues decidiu escrever uma síntese da estrutura de um projeto. Na disciplina de instrumentação em ciência da Natureza e suas tecnologias II do curso de licenciatura em Física da UFCG, campus Cuité, é solicitado ao estudante elaborar um projeto do kit. Após a execução do experimento com materiais alternativos é feito um relatório.

UFCG-CES-UAFM

Disciplina de Instrumentação em Ciência da Natureza suas Tecnologias II

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. Planejamento e realização de experiências simples em: a) Eletrodinâmica: instrumentos de medida e circuitos elétricos, geradores, circuitos e leis de Ohm, noções de instalações elétricas domésticas; b) Eletrostática: eletricidade estática, campo e potencial elétrico; c) Magnetismo: imãs, campo magnético terrestre, aplicações tecnológicas do eletromagnetismo, fenômenos de indução e motores elétricos.

Objetivos

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.

Metodologia

1) Técnicas de Integração. 2) Práticas Pedagógicas da interação teoria-experiência. 3) Avaliação de processo ensino-aprendizagem relatórios das experiências propostas e listas de exercícios. 4) Análise e preparação de Material para a realização de experiência. 5) Exposição dialogada.

Recursops Didáticos

Livros em PDF, Revista Brasileira de Física, Google Meet e o Blog ciências e educação. Vídeos produzido através de lives próprias. Canetas para quadro branco e data-show

Avaliação

Serão colocadas 3 notas no diário de classe: N_i=(6R_i+4L_i)/10, onde R_i=Média dos Relatórios e resumos das aulas tendo 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. 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

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO DE INSTRUMENTAÇÃO II PRELIMINARES 1. Discussão sobre o conteúdo programático e a avaliação. Ensinar Física para que? Para quem? Qual Física? Revisão: potência de dez, notação científica, equação do segundo grau, trigonometria e medida de uma grandeza Física.  Carga elétrica. Vários aspectos do formalismo matemático da eletricidade: lei de Coulomb. 2. Processo de Eletrização e os materiais condutores de eletricidade com materiais alternativos. 1.   O eletroscópio de duas folhas, aspectos históricos de sua utilização e como fazer. Lista L1 de Exercícios 3. Planejamento e montagem de kits de eletrização, fazendo um desequilíbrio da carga elétrica: o gerador de Van de Graaf. 4. Vários aspectos do formalismo matemático do campo elétrico de um distribuição de partículas 5. Tirando dúvidas e a Lista L2 de Exercícios,  parcialmente resolvidos em sala de aula. 6. Verificação experimental das leis da eletrostática, usando materiais alternativos. 7. Planejamento e montagem de kits do campo elétrico, pêndulo elétrico: o eletroscópio de pêndulo. 8. O poder das pontas e os pára-raios. Lista L3 de Exercícios, parcialmente resolvidos.  9. Campo elétrico e a simetria continua de cargas: lei de Gauss no nível do ensino médio. Lista L4 de Exercícios,  parcialmente resolvidos. 10. Medida da tensão elétrica e a visualização do campo elétrico através de circuitos de corrente contínua: linhas de força. 11. Capacitores. Lista L5 de Exercícios, parcialmente resolvidos em sala de aula 12. .Primeira Avaliação 13. Planejamento e montagem de kits de eletricidade: a eletrólise. 14. Medida da corrente elétrica através de circuitos de corrente contínua: Lei de Ohm. 15. Planejamento e montagem de kits de Resistência elétrica: o chuveiro elétrico e o ferro elétrico. 16. Planejamento e montagem de kits de circuito elétrico com associação mista de resistores. 17. Gerador de energia elétrica. 18. Lei de Ohm. Lista L6 de Exercícios, tendo questões teóricas e práticas 19. Noções de instalações elétricas domésticas.   20. Segunda Avaliação 21.  Vários aspectos do formalismo matemático do campo magnético: Lei de Biot-Savart. 21. Lei de Ampère do campo magnético. Lista L7 de Exercícios parcialmente resolvidos. 22. Lei de Faraday 23. Fenômenos de indução eletromagnético. Planejamento e montagem de um motor de energia elétrica com materiais alternativos. Lista 8 de exercícios. 24. Planejamento e montagem de kits sobre a transformação de energia eletromagnética em energia mecânica. 25. Planejamento e montagem de kits sobre a conservação da energia eletromagnética. 26. Vários aspectos históricos e aplicações tecnológicas do eletromagnetismo. 27. Vários aspectos do formalismo matemático do campo eletromagnético. 28. Planejamento e montagem de uma oficina sobre o eletromagnetismo com materiais alternativos 29. Terceira  Avaliação

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