ATENÇÃO: Página do Prof: Everton G. de Santana
Nesta página eu apenas traduzi podendo ter introduzido, retirado ou não alguns tópicos, inclusive nas simulações. A página original, que considero muito boa é:
Autor: (C) Ángel Franco García
História do conceito de campo O campo elétrico Movimento das partículas carregadas O campo magnético Campos dependentes do tempo Lei de Faraday Autoindução e Indução mútua Materiais
Bibliografía |
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| A maior parte dos estudantes, apenas tem algumas ideias acerca do campo elétrico, apesar de figurar nos planos de estudo do Bacharelado. As dificultades do conceito de campo são adicionadas as poucas experiências relevantes que fazem parte da electricidade e do magnetismo. O estudo dos campos requer que seja explicado de forma ordenada e consistente, de modo que os estudantes não o percebam como um conjunto de fórmulas que temos que memorisar para resolver um determinado problema. Necessitamos de tempo para amadurecer e numerosas situações em ordem de dificultade crescente, nas que podemos aplicar o conceito de campo em suas diversas manifestações. O conceito de campo é abstrato, já que desejamos criar um vetor que seja uma propriedade local atribuível com a presença de cargas no espaço. Se conhecemos o campo elétrico em um ponto qualquer, podemos avaliar a força exercida sobre uma carga q situada nesse ponto sem necessidade de preocuparnos pela distrição de carga que o produz. Uma vez que se define o conceito de campo, passaremos a enunciar o princípio da superposição de campos, aplicando-o a distribuição dadas de cargas pontuais. Como exemplo, foi projetado uma simulação, que mostra as linhas de força e as equipotenciais de um sistema formado por duas cargas elétricas. A partir do caráter conservativo do campo elétrico, definiremos o conceito de potencial elétrico, e calcularemos o potencial em um ponto produzido por uma distribuição pontual de cargas. A seguir, calcularemos de forma direta o campo elétrico produzido por distribuições contínuas de cargas com certa simetría, para associar a direção do campo elétrico com a simetría da distribuição de carga, e como passo prévio a explicação da lei de Gauss do campo elétrico. Explicar a lei de Gauss encontramos uma dupla dificuldade, o conceito abstrato de campo, e o conceito de fluxo. O fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada arbitrária permite formular a lei de Gauss, o que é equivalente a dependência da interação eletrostática do inverso do quadrado da distância. Para aplicar a lei de Gauss a uma distribuição de cargas, é necessário seguir uma certa estratégia:
Posteriormente, representaremos o campo em função da distância, ao centro, eixo ou plano de simetría, e calcularemos a diferença de potencial entre dois pontos. Muitos estudantes tem dificuldade em identificar a superfície fechada na região adequada e determinar a carga no interior desta superfície, por isto que é necessário resolver vários exercicios com distintas distribuições de carga. Estudaremos em detalhes o comportamento elétrico dos condutores metálicos, reconheceremos que o campo no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático é nulo, e a partir deste fato e da lei de Gauss determinaremos a distribuição de cargas de um condutor ôco no qual são introduzidas cargas. O experimento da cubeta de Faraday é muito instrutivo para explicar o comportamento dos condutores. O estudo dos dielétricos deve ser puramente descritivo e se baseará no comportamento de um dipolo em um campo elétrico. Mostraremos que o campo resultante é a diferença entre o campo produzido pelas cargas livres e o campo produzido pelas cargas induzidas. Que a diminuição do campo no interior do condensador com dielétrico tem como conseqüência a diminuição da diferença de potencial entre as placas do condensador e por tanto, um incremento de sua capacidade. Uma das propriedades mais importantes da carga, além da conservação, é que é quantizada. O descobrimento do elétron tem duas partes: na primeira se mostra que é uma partícula e encontramos a relação entre sua carga e sua massa (experimento de Thomson) e na segunda, determinamos sua carga (experiência de Millikan). Ambas experiências são muito instrutivas, já que na primeira voltamos a encontrar com as equações de um movimento curvilíneo sob aceleração constante (entre as placas do condensador) e retilíneo (fora das placas). E na segunda, o movimento da gotinha de óleo do experimento de Millikan, nos leva a enlaçar com o estudo das forças dependentes da velocidade no capítulo de Dinâmica. O campo magnético tem um estudo diferente do campo elétrico. Primeiro, são estudados os efeitos do campo magnético sobre as cargas em movimento e depois, são estudadas as fontes do campo magnético. La principal dificultad que se presenta a los estudiantes en este capítulo, es la representación espacial de las magnitudes vectoriales que intervienen en la descripción del campo producido por una corriente, o de las fuerzas que un campo magnético ejerce sobre una carga en movimiento o sobre una corriente. Estudiamos mediante programas interactivos o applets varios ejemplos ilustrativos del efecto del campo magnético sobre las cargas en movimiento, con o sin el efecto combinado con el campo eléctrico:
La ley de Biot-Savart es complicada y solamente se utilizará para determinar el campo magnético producido por una corriente rectilínea indefinida y por una corriente circular en un punto de su eje, como paso previo a la aplicación de la ley de Ampère. La ley de Ampère nos indica que el campo magnético no es conservativo. Son pocos los ejemplos sencillos de aplicación de la ley de Ampère, pero es necesario hacer los problemas siguiendo un orden, análogo al propuesto para la resolución de problemas de aplicación de la ley de Gauss:
Como ejemplos ilustrativos de aplicación de la ley de Ampère se estudia el solenoide, el toroide, y variantes de la corriente rectilínea indefinida: Se ha creado un applet que traza las líneas del campo magnético de una espira, dos espiras, etc. Se observa el establecimiento de un campo constante y paralelo al eje de las espiras a medida que su número se incrementa. Se puede comprobar también, el efecto de la separación entre espiras. El estudio del comportamiento de los materiales en un campo eléctrico o magnético es complicado y se suele explicar de forma cualitativa en base a modelos muy simplificados. En estas páginas, se relaciona la Física estadística y el Electromagnetismo para explicar el comportamiento de los materiales dieléctricos, paramagnéticos y ferromagnéticos en función del campo y la temperatura. Se ha creado un applet en el que se pone una muestra de moléculas polares bajo la influencia de un campo eléctrico. Se examina la dependencia de la polarización en función de la intensidad del campo y de la temperatura. Se distingue el comportamiento de una molécula individual del comportamiento de la muestra. Finalmente, se compara los resultados teóricos (ecuación de Langevin) con los obtenidos "experimentando" con la muestra. El comportamiento de los materiales paramagnéticos tiene algunas diferencias y semejanzas con el comportamiento de los materiales dieléctricos. Se pone una muestra de iones paramagnéticos bajo la influencia de un campo magnético a una determinada temperatura. Se examina la dependencia de la magnetización en función de la intensidad del campo y de la temperatura. Se distingue el comportamiento de un ion individual del comportamiento de la muestra. El programa permite comparar los resultados teóricos con los obtenidos "experimentando" con la muestra. Finalmente, se estudia el modelo de Ising de un material ferromagnético bidimensional. |
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