gabarito (20)

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<p>PRÁTICAS DE</p><p>ELETROMAGNETISMO</p><p>2020</p><p>Prof.ª Julia Grasiela Busarello Wolff</p><p>GABARITO DAS</p><p>AUTOATIVIDADES</p><p>2</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 1</p><p>1 O que é carga elétrica?</p><p>R.: É uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais de que</p><p>é feita a matéria. Halliday, Resnick e Walker (2012, p. 22) definem</p><p>carga elétrica como: “uma propriedade associada à própria existência</p><p>das partículas”.</p><p>2 O que é eletrização?</p><p>R.: É um processo eletrostático de acrescentar ou retirar elétrons de</p><p>um corpo neutro para que passe a estar eletrizado. Quando um corpo</p><p>eletrizado estiver com número diferente de prótons e elétrons, ou</p><p>seja, quando não estiver neutro, denomina-se eletrização.</p><p>3 Quais são os processos de eletrização?</p><p>R.: São três os tipos de eletrização: por atrito, por contato e por</p><p>indução.</p><p>4 Descreva a experiência de Millikan.</p><p>R.: Millikan montou, em um recipiente com vácuo, duas placas</p><p>carregadas com sinais contrários e borrifou gotas eletrizadas nelas.</p><p>As gotas foram submetidas à força peso e à força elétrica. Em uma</p><p>situação de equilíbrio, P e Fe são iguais, em intensidade. Desse</p><p>modo, ele calculou a quantidade de carga elétrica presente em cada</p><p>gota carregada. Essa foi uma experiência muito importante para a</p><p>Eletrostática.</p><p>UNIDADE 1</p><p>3</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 2</p><p>1 O que é campo elétrico?</p><p>R.: Um campo elétrico é o campo de força provocado pela ação de</p><p>cargas elétricas, ou por sistemas delas. Cargas elétricas colocadas</p><p>num campo elétrico estão sujeitas à ação de forças elétricas, de atração</p><p>e repulsão.</p><p>2 Como é calculado o campo elétrico?</p><p>R.: A equação usada para se calcular a intensidade do vetor campo</p><p>elétrico (E) é dada pela relação entre a força elétrica (F) e a carga de</p><p>prova (q):</p><p>E = F.|q|</p><p>Unidade no Sistema Internacional de Unidades:</p><p>E = N/C [N/C].</p><p>Na qual N é a unidade de força (Newton) e C a unidade de carga</p><p>(Coulomb).</p><p>3 O que são superfícies equipotenciais?</p><p>R.: Superfícies equipotenciais são superfícies de um campo elétrico,</p><p>onde todos os pontos apresentam mesmo potencial elétrico, ou seja,</p><p>suas linhas de força são sempre perpendiculares a sua superfície.</p><p>4 Como acontece a interação através de duas partículas carregadas?</p><p>R.: Através da força eletrostática que é desenvolvida entre elas.</p><p>4</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 3</p><p>1 O que são capacitores?</p><p>R.: Capacitores são elementos reativos que reagem à passagem de</p><p>corrente através do acúmulo de cargas elétricas, ou seja, o capacitor é</p><p>capaz de armazenar energia eletroestática. Os capacitores mais comuns</p><p>são construídos por duas placas condutivas (metálicas), separadas por</p><p>um material dielétrico (material isolante).</p><p>2 Para que servem os capacitores?</p><p>R.: Capacitor ou condensador é um componente que armazena cargas</p><p>elétricas num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno</p><p>de carga elétrica.</p><p>3 Quais são os tipos de capacitores?</p><p>R.: Os tipos de capacitores são: eletrolítico, de poliéster, cerâmico, de</p><p>tântalo, de mica, SMD, variável, a óleo e papel etc.</p><p>4 O que é uma capacímetro?</p><p>R.: Capacímetro é o instrumento utilizado em eletrônica para medir</p><p>capacitância.</p><p>5 O que é capacitância?</p><p>R.: A capacidade de armazenamento de cargas elétricas é denominada</p><p>capacitância e é simbolizada pela letra C, a unidade de medida desta</p><p>capacidade de armazenamento é dada em farads, ela é a unidade de</p><p>medida para quantidade de armazenamento de carga dos capacitores.</p><p>6 Disserte sobre a garrafa de Leyden.</p><p>R.: A garrafa de Leyden é um dispositivo capaz de acumular uma</p><p>grande quantidade de carga elétrica, por meio do processo de indução. É</p><p>considerada o primeiro capacitor e é a invenção precursora dos capacitores</p><p>utilizados em circuitos elétricos e eletrônica. A construção é atribuída ao</p><p>cientista Pieter van Musschenbroek, ano de 1745, em Leyden, na Holanda.</p><p>5</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>UNIDADE 2</p><p>TÓPICO 1</p><p>1 O que é magnetostática?</p><p>R.: É uma área do Eletromagnetismo que investiga os fenômenos nos</p><p>quais os campos magnéticos presentes não variam com o tempo.</p><p>2 O que é um ímã e para que ele serve?</p><p>R.: Os ímãs são de extrema importância para ciência da física, uma</p><p>que servem para muitos estudos. Dessa forma, os ímãs podem ser</p><p>usados para produzir campos elétricos e magnéticos. Assim sendo,</p><p>por meio dos ímãs pode-se obter muitos resultados que explicam</p><p>fenômenos na natureza.</p><p>3 O que é um campo magnético?</p><p>R.: O campo magnético é uma região do espaço onde as cargas</p><p>elétricas em movimento são sujeitas à ação de uma força magnética,</p><p>capaz de alterar as suas trajetórias. O campo magnético é resultado</p><p>da movimentação de cargas elétricas, como no caso de um fio que</p><p>conduz corrente elétrica ou até mesmo na oscilação de partículas</p><p>subatômicas, como os elétrons.</p><p>4 Descreva como funciona a regra da mão direita.</p><p>R.: O polegar da mão direita indica o sentido convencional da corrente</p><p>elétrica; e os outros dedos, ao envolverem o condutor por onde passa</p><p>a corrente, dão o sentido das linhas de campo magnético.</p><p>6</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>5 Como um campo magnético é criado?</p><p>R.: O campo magnético pode ser produzido por ímãs naturais e</p><p>artificiais, feitos com espiras condutoras e bobinas. Uma corrente</p><p>elétrica circulando em um fio condutor ou em outras geometrias</p><p>também criam campo magnético, tais como: solenoide, bobina chata</p><p>e espiras circulares.</p><p>TÓPICO 2</p><p>1 O que é força magnética e como ela age sobre uma partícula?</p><p>R.: A força magnética passa a existir quando uma partícula</p><p>eletricamente carregada se movimenta em uma região onde atua um</p><p>campo magnético.</p><p>2 O que é a regra da mão direita e para que ela serve?</p><p>R.: O sentido do campo magnético é dado pela regra da mão direita:</p><p>o polegar, apontando no sentido da corrente elétrica I, e os outros</p><p>dedos apontando para o sentido do campo magnético.</p><p>3	 Descreva	a	força	de	Lorentz.</p><p>R.: A Força de Lorentz é a força em uma partícula carregada movendo-</p><p>se através de uma região contendo campos elétricos e magnéticos.</p><p>Uma partícula carregada movendo-se através de um campo magnético</p><p>experimenta uma força que está em ângulo reto com a direção na qual</p><p>a partícula está se movendo e a direção do campo aplicado.</p><p>4 O que é o efeito Hall?</p><p>R.: O efeito de Hall permite verificar se os portadores de carga em um</p><p>condutor têm carga positiva ou negativa e permite medir o número</p><p>de portadores por unidade de volume do condutor.</p><p>7</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>5 Descreva, de forma resumida, como se comporta uma partícula</p><p>em movimento em uma trajetória circular. Se preferir, pode</p><p>utilizar	expressões	matemáticas,	esboços	de	desenhos	e	gráficos</p><p>para ilustrar o caso.</p><p>R.: Se a velocidade da partícula carregada tem uma componente</p><p>perpendicular e outra paralela ao campo (isto é, e formam um</p><p>ângulo diferente de 0º, 90º ou 180º), a trajetória da partícula é helicoidal.</p><p>A figura a seguir, mostra que o vetor tem duas componentes, uma</p><p>paralela a , e outra perpendicular, .</p><p>A componente paralela dá origem a um movimento de translação. A</p><p>componente perpendicular origina um movimento circular uniforme</p><p>(de rotação). A sobreposição destes dois movimentos resulta numa</p><p>trajetória helicoidal, com forma de hélice, conforme ilustra a figura:</p><p>8</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 3</p><p>1 O físico francês Ampère propôs que partículas carregadas em</p><p>movimento são capazes de gerar campo magnético. Assim, uma</p><p>corrente elétrica percorrendo um condutor gera campo magnético.</p><p>Ao dispositivo que cria um campo magnético por meio de uma</p><p>corrente elétrica damos o nome de?</p><p>R.: O eletroímã é um dispositivo capaz de criar campo magnético</p><p>através da passagem de corrente elétrica. Imãs com altas intensidades</p><p>de campo magnético são raros na natureza, portanto, os eletroímãs</p><p>surgem como uma boa opção, além da vantagem de poder ligar</p><p>e desligar o campo magnético, cessando a corrente elétrica ou</p><p>deixando-a fluir no elemento.</p><p>2 As linhas de campo magnético são uma boa</p><p>representação para</p><p>avaliar o comportamento do campo magnético em diversas</p><p>geometrias. Assinale a alternativa que apresenta corretamente as</p><p>linhas de campo magnético em um ímã permanente.</p><p>a) (X)</p><p>b) ( )</p><p>c) ( )</p><p>d) ( )</p><p>9</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>3	 Um	fio	condutor	reto	e	horizontal	está	abaixo	de	uma	mesa.	Sobre</p><p>a mesa, está uma bússola. Observe a representação do esquema.</p><p>Quando	 uma	 corrente,	 suficientemente	 grande	 para	 criar	 um</p><p>campo magnético de mesma intensidade que o campo da Terra,</p><p>no ponto, percorre o condutor, qual será a posição da agulha da</p><p>bússola?</p><p>FONTE: A autora</p><p>R.: O campo magnético gerado por um fio condutor atravessado</p><p>por uma corrente é circular ao fio, sendo que, no ponto na mesa,</p><p>diretamente acima do fio, o campo magnético será perpendicular</p><p>ao condutor. Assim, a bússola apresentará a indicação do campo</p><p>magnético resultante. Sendo assim, a soma do campo magnético da</p><p>Terra com o campo magnético provocado pelo condutor nos dá um</p><p>campo magnético apontando para a direção nordeste.</p><p>FONTE: A autora</p><p>10</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>4 Na condição de equilíbrio, um corpo colocado sobre o ponto P</p><p>não sofre força magnética, tendo em vista que, nesse ponto, o</p><p>campo magnético é nulo. Assim, qual a relação entre as correntes,</p><p>i1 e i2 que atravessam os condutores, sabendo que as correntes</p><p>possuem sentidos contrários?</p><p>FONTE: A autora</p><p>R.: Os campos magnéticos gerados pelos fios no ponto P devem ter o</p><p>mesmo módulo e sentidos opostos para que o campo resultante seja</p><p>nulo. Portanto: i1/i2 = 1/2.</p><p>5	 Dois	condutores	retilíneos	infinitos	estão	alocados	em	paralelo.</p><p>A direção desses condutores é perpendicular ao plano da tela,</p><p>veja a imagem a seguir. Ambos condutores são percorridos por</p><p>uma corrente de intensidade i saindo do plano da tela. No ponto</p><p>P, localizado entre os condutores a uma certa altura deles, qual a</p><p>direção e sentido do vetor campo magnético?</p><p>FONTE: A autora</p><p>R.: O campo magnético ao redor do fio é circular, e a sua determinação</p><p>é feita por meio da aplicação da regra da mão direita. Assim, a partir</p><p>da soma vetorial, podemos definir que o campo resultante no ponto p</p><p>tem direção horizontal e sentido da direita para a esquerda.</p><p>11</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>UNIDADE 3</p><p>TÓPICO 1</p><p>1 Explique, com suas palavras, o que é magnetodinâmica.</p><p>R.: É uma área eletromagnetismo que aborda as equações de Maxwell</p><p>nas quais os fenômenos são variáveis no tempo.</p><p>2 Cite algumas aplicações práticas que utilizam os conceitos</p><p>estudados em magnetodinâmica.</p><p>R.: Controle remoto, aviões, sonares, radares etc.</p><p>3 O que é o vetor potencial elétrico (Vm)?</p><p>R.: É um campo magnético não conservativo, ou seja, ele não tem</p><p>valor definido para cada ponto do espaço, diferentemente, do vetor</p><p>elétrico que é um campo conservativo. O vetor potencial elétrico é</p><p>definido de forma que é o negativo do gradiente de Vm, ou seja,</p><p>= −∇Vm.</p><p>4 O que é o vetor potencial magnético ( )?</p><p>R.: O potencial vetor magnético é dado por: .</p><p>5 Escreva o conjunto das equações de Maxwell:</p><p>R.:</p><p>12</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 2</p><p>1 O que são condutores?</p><p>R.: São materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira</p><p>relativamente livre. Quando tais materiais são carregados em alguma</p><p>região, a carga distribui-se sobre toda a superfície do material.</p><p>2 O que é o vetor de magnetização?</p><p>R.: É uma resposta dos meios materiais (condutores) ao campo</p><p>magnético neles aplicados.</p><p>3 O que são tensores?</p><p>R.: São entidades geométricas usadas em cálculo e em física para</p><p>generalizar a noção de escalares, vetores e matrizes. Assim como tais</p><p>entidades, um tensor é uma forma de representação associada à um</p><p>conjunto de operações, tais como, a adição e a multiplicação.</p><p>4 O que é o tensor de Maxwell e para que ele serve em engenharia</p><p>elétrica?</p><p>R.: Calcula os esforços sobre um corpo submetido à ação de campos</p><p>magnéticos. É simétrico e bidimensional. O tensor de Maxwell é</p><p>muito importante em eletromagnetismo, pois, através dele, é possível</p><p>calcular o rotor de máquina e a peça móvel de um relé, por exemplo.</p><p>5	 Qual	 a	 função	 da	 lei	 de	 Lorentz?	 Descreva	 sua	 expressão</p><p>matemática para a força.</p><p>R.: A força de Lorentz é a soma das forças devido às interações</p><p>da carga com o campo elétrico e com o campo magnético, ou seja,</p><p>. Colocando a carga “q” em evidência, na expressão,</p><p>tem-se: .</p><p>13</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>TÓPICO 3</p><p>1 Em certo ponto, o campo elétrico é dado por: .</p><p>Qual é o campo magnético?</p><p>R.: O rotacional do campo elétrico em coordenadas cartesianas é dado</p><p>por:</p><p>Calculando as integrais, temos que:</p><p>2 Parte de um campo magnético atravessa uma superfície circular com</p><p>raio de 2m. O vetor, na direção normal à superfície, vale ,</p><p>já o campo magnético nessa região é: .</p><p>Quanto vale a intensidade do campo elétrico no perímetro do</p><p>círculo?</p><p>R.: Para essa questão, utilizaremos a Lei de Faraday. O campo elétrico</p><p>estará na direção do caminho que percorre o perímetro. Isso facilita a</p><p>integral sobre o campo elétrico, pois, esse será paralelo a direção do</p><p>caminho. Sabendo o perímetro do círculo:</p><p>Calculando o outro lado da equação de Faraday:</p><p>Juntando os dois termos da equação de Faraday, temos:</p><p>14</p><p>PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO</p><p>3 No vácuo, dado um campo magnético: e um campo</p><p>elétrico de , qual é a densidade</p><p>de energia contida no campo eletromagnético do ponto</p><p>(x,y,z) = (1, 5, 53) no tempo t = 5s? E se o tempo for t = 10 s?</p><p>R.: Densidade em t = 5 s é 13 e a densidade em t = 10 s é de 13 também.</p><p>A densidade de energia é dada por . Lembre-se</p><p>que o módulo de quantidades complexas é dado pela multiplicação</p><p>da quantidade pelo seu complexo conjugado.</p><p>4	 Um	retângulo	é	feito	de	fios	de	cobre	e	tem	um	lado	móvel.	Assim,</p><p>sua	área	é	dada	por:																						válida	para	t	≥	0.	Se	o	campo</p><p>magnético for perpendicular a essa área e tiver intensidade</p><p>B	=	cos(2t),	quanto	vale	a	tensão	induzida	(fem)	nos	fios	em	um</p><p>tempo qualquer?</p><p>R:</p>