Electromagnetismo

Código:

EEC0012

Sigla:

ELEM

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2014/2015 - 1S

Ativa?	Sim
Página Web:	https://www.fe.up.pt/si/conteudos_adm.conteudos_list?pct_pag_id=1639&pct_parametros=p_ano_lectivo=2011/2012-y-p_cad_codigo=EEC0012-y-p_periodo=1S
Unidade Responsável:	Departamento de Engenharia Física
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MIEEC	452	Plano de estudos oficial	2	-	7	70	189

Língua de trabalho

Português

Objetivos

São objetivos desta unidade curricular que os estudantes:

- adquiram conhecimentos fundamentais de eletromagnetismo, ciência base da engenharia eletrotécnica;

- desenvolvam o raciocínio e adquiram competências na resolução autónoma e crítica de problemas;

- adquiram uma disciplina de trabalho continuado ao longo do semestre;

- tenham uma atitude respeitadora de valores éticos, tais como o respeito mútuo e a honestidade.

Resultados de aprendizagem e competências

No final desta unidade curricular, o estudante deve ser capaz de:

- usar correctamente as leis que regem os fenómenos eletromagnéticos;

- descrever o Eletromagnetismo como uma teoria unificadora dos vários fenómenos eletromagnéticos observados na Natureza e utilizados nas tecnologias;

- usar vocabulário técnico apropriado para explicar os conceitos e os fenómenos eletromagnéticos;

- descrever aplicações práticas de Eletromagnetismo, tais como, condensadores, resistências, bobinas, motores elétricos, geradores elétricos, transformadores elétricos e circuitos magnéticos;

- ter uma atitude critica perante os resultados finais obtidos, recorrendo à análise dimensional (análise de unidades), a estimativas das ordens de grandeza esperadas, ao estudo da interdependência entre as grandezas envolvidas e ao estudo do comportamento da solução em casos-limite.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Admite-se que os estudantes têm:

i) conhecimentos de mecânica newtoniana, isto é, que sabem enunciar as três leis de Newton e que são capazes de descrever as forças e os movimentos que produzem;

ii) alguns conhecimentos elementares de estrutura atómica da matéria;

iii) conhecimentos de circuitos elétricos, isto é, conhecem as leis de Ohm e de Kirchhoff e sabem como lidar com resistências, condensadores e bobinas;

iv) alguns conhecimentos sobre vetores (por exemplo, que sabem somar vetores, escrever o raio vetor de posição de uma partícula no espaço tridimensional e calcular os produtos interno e externo de dois vetores) e cálculo elementar (isto é, que sabem derivar e integrar funções simples).

Programa

1) Sistemas de Coordenadas: cartesiano, cilíndrico e esférico; transformações entre sistemas de coordenadas; elementos de comprimento, de superfície e de volume.

2) Lei de Coulomb: carga elétrica e sua conservação; condutores e isoladores; distribuições discretas e contínuas de carga elétrica; força elétrica entre cargas pontuais; princípio da sobreposição.

3) Campo Elétrico: cálculo do campo elétrico a partir da lei de Coulomb; o dipolo elétrico; linhas de força. Lei de Gauss na forma integral; fluxo elétrico; o teorema da divergência e a forma diferencial da Lei de Gauss.

4) Potencial Eletrostático: forças e campos conservativos; o teorema de Stokes e o rotacional do campo eletrostático; o potencial elétrico; as equipotenciais; relação diferencial entre campo e potencial elétricos; o dipólo elétrico; a forma diferencial das equações da eletrostática. As equações de Poisson e de Laplace. Energia eletrostática.

5) Eletrostática de Materiais Condutores: condutores em equilíbrio eletrostático; propriedades elétricas; o poder das pontas; a blindagem eletrostática.

6) Capacidade Elétrica e Condensadores: condensadores planos, cilíndricos e esféricos; associações em série e paralelo de condensadores; energia eletrostática armazenada num condensador.

7) Eletrostática de Materiais Dielétricos: cargas de polarização; vetor polarização; vetor deslocamento elétrico; dielétricos isotrópicos, homogéneos e lineares: suscetibilidade elétrica, permitividade elétrica; rotura dielétrica e rigidez dielétrica. Condensadores com dielétricos. Energia eletrostática na matéria. Condições fronteira do campo elétrico.

8) Corrente Elétrica: vetor densidade de corrente. Condutores metálicos: modelo microscópico da condução elétrica; condutividade e resistividade elétricas; variação da resistividade com a temperatura. Lei de Ohm; resistência elétrica; efeito de Joule; força eletromotriz; equação de continuidade; as leis de Kirchhoff.

9) Campo Magnético: força magnética entre correntes elétricas estacionárias; o campo magnético B; lei de Biot-Savart; lei de Ampère na forma integral, o rotacional do campo magnetostático e a forma diferencial da lei de Ampère; força̧ magnética sobre uma carga elétrica: equação de Newton-Lorentz; força magnética sobre percursos com correntes elétricas; forças e binários em espiras. Divergência do campo magnético; o vetor potencial magnético. A forma diferencial das equações da magnetostática. Indutância e bobinas: coeficientes de auto-indução e indução mútua; a fórmula de Neumann. Energia magnética armazenada numa bobina.

10) Materiais Magnéticos: o dipolo magnético; o vetor magnetização; as correntes de magnetização; o campo magnético H; diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo; o ciclo histerético; materiais magnéticos isotrópicos, homogéneos e lineares: suscetibilidade magnética, permeabilidade magnética; condições fronteira do campo magnético. Circuitos Magnéticos: a lei de Hopkinson; força magnetomotriz e relutância magnética; leis dos nós e das malhas para circuitos magnéticos.

11) Indução Eletromagnética: lei da indução de Faraday; lei de Lenz; princípio de funcionamento de um gerador de corrente elétrica alternada; a lei da indução de Faraday nas formas integral e diferencial; o transformador elétrico ideal. Energia magnética.

12) As Equações de Maxwell: a corrente de deslocamento; o campo magnético induzido; a lei de Ampère-Maxwell nas formas integral e diferencial; as equações de Maxwell no vácuo e na presença da matéria; ondas eletromagnéticas e a velocidade da luz no vácuo; ondas eletromagnéticas planas e harmónicas; o espetro eletromagnético; a equação de conservação da energia eletromagnética e vetor de Poynting.

Bibliografia Obrigatória

Jaime E. Villate; Electromagnetismo. ISBN: 972-773-010-8
Alfredo Barbosa Henriques, Jorge Crispim Romão; Electromagnetismo. ISBN: 972-8469-45-4

Bibliografia Complementar

H. Moysés Nussenzveig; Curso de física básica. ISBN: 85-212-0134-6 (vol. 3)
David J. Griffiths, Reed College; Introduction to electrodynamics. ISBN: 0-13-805326-X
Umran S. Inan, Aziz S. Inan; Engineering electromagnetics. ISBN: 0-8053-4423-3
Daniel Fleisch; A student.s guide to Maxwell.s Equations. ISBN: 978-0-521-70147-1 (Livro "de cabeceira" para acompanhar toda a UC. No final do semestre, os estudantes deverão ter adquirido as competências necessárias para utilizar sem dificuldade este livro.)
Daniel Fleisch; A Student's Guide to Vectors and Tensors, Cambridge University Press, 2011. ISBN: 0521171903 (Livro "de cabeceira" para acompanhar toda a UC no respeitante à análise vetorial)
Edward M. Purcell,David J. Morin; Electricity and Magnetism, Cambridge University Press, 2013. ISBN: 1107014026, 9781107014022
Richard Fitzpatrick; Classical Electromagnetism, 1997 (Uma versão gratuita deste livro em PDF encontra-se no URL http://farside.ph.utexas.edu/teaching/em/em.html)

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

As aulas (TEORICO-PRÁTICAS) consistem na exposição da matéria a lecionar e na discussão e resolução pelo docente e/ou pelos estudantes, sob
supervisão do docente, de problemas propostos (retirados do “caderno de exercícios” da unidade curricular) ilustrativos dessa mesma matéria.

Em datas pré-definidas, serão realizados dois testes de avaliação distribuída.

Palavras Chave

Ciências Físicas > Física > Electromagnetismo

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	60,00
Teste	40,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	112,00
Frequência das aulas	77,00
Total:	189,00

Obtenção de frequência

► Para estudantes na 1ª inscrição:

Obtém frequência (admissão a exame final) todo o estudante regularmente inscrito que:

- não ultrapasse o máximo de 10 (dez) faltas às aulas.

- obtenha a classificação mínima de 8 (oito) valores, em 20 valores possíveis, na componente da avaliação distribuída.

► Para estudantes com duas ou mais inscrições:

Para estes estudantes não há critério de assiduidade, isto é, não há marcação de faltas. Não necessitam de se inscrever numa turma, mas podem assistir às aulas.

Com frequência no ano anterior:

OU mantêm a classificação de avaliação distribuída obtida no ano passado

OU podem, irreversivelmente, optar por se submeter à avaliação distribuída no presente ano letivo, anulando a classificação de avaliação distribuída anterior, bastando apresentar-se aos 2 testes.

Sem frequência no ano anterior:

OU submetem-se à avaliação distribuída no presente ano letivo, bastando apresentar-se aos 2 testes

OU comparecem apenas ao exame de “recurso”, realizando este exame para 20 valores.

► Independentemente da classificação obtida na avaliação distribuída, todos os estudantes podem comparecer ao exame de “recurso”.

 

EXPLICAÇÃO DA AVALIAÇÃO DISTRIBUÍDA:

► A avaliação distribuída consistirá em 2 (dois) testes a realizar em datas pré-definidas.

► Os testes, que terão a duração de 1 hora  e 45 minutos, serão realizados simultaneamente por todos os estudantes em sala(s) a indicar oportunamente.

► Cada um dos testes consiste num questionário, com 15 questões de escolha múltipla, sobre a matéria lecionada desde o início do semestre e até data a indicar.

► Os testes serão cotados na escala de 0 a 20 valores, sendo essa a classificação a atribuir a cada estudante.

► A classificação da avaliação distribuída é dada por:

AD = (3/8)* T1 + (5/8)* T2

onde

T1 – Classificação do teste 1 (0-20 valores)

T2 – Classificação do teste 2 (0-20 valores)

AD - Classificação da Avaliação Distribuída (0-20 valores)

► A classificação conseguida na avaliação distribuída só entrará no cálculo da classificação final se o estudante obtiver no exame final uma classificação superior ou igual a 8 valores (em 20)

DATAS PREVISTAS PARA A REALIZAÇÃO DOS DOIS TESTES:

- TESTE 1 : 22 de outubro de 2014 (quarta-feira)

- TESTE 2 : 3 de dezembro de 2014 (quarta-feira)

► No TESTE 1 poderá sair a matéria lecionada até à Folha 4 (lei de Gauss), inclusive, do “Caderno de Exercícios”.

► No TESTE 2 poderá sair a matéria lecionada até à Folha10 (lei de Biot-Savart), inclusive, do “Caderno de Exercícios”

Fórmula de cálculo da classificação final

Se AD >= 8 valores (na escala 0-20 valores) então o estudante tem admissão ao exame final (época normal e época de recurso).

Para se obter aprovação à unidade curricular, i.e., uma classificação final CF >= 10 (dez) valores, é necessário obter o mínimo de 8 (oito) valores no exame final (na escala de 0 a 20 valores).

Então a classificação final da unidade curricular é obtida como o máximo valor inteiro entre a classificação obtida no EF e o valor obtido ponderando a classificação AD com peso de 40% e a classificação obtida no EF com peso de 60% conforme a fórmula abaixo indicada:

Se EF >= 8 então

CF = MAX (EF ; 0,4 * AD + 0,6 * EF) senão CF= EF

onde AD - Avaliação Distribuída (0-20 valores)

EF - Exame Final (0-20 valores)

CF - Classificação Final (0-20 valores)

Provas e trabalhos especiais

n.a.

Trabalho de estágio/projeto

n.a.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Os estudantes que durante o ano letivo em curso têm estatuto de trabalhador estudante ou militar estão dispensados de frequência sendo a sua classificação final a nota do exame final. Os estudantes nas condições anteriores podem optar por se submeter à avaliação distribuída no corrente ano letivo, devendo para tal inscrever-se numa turma, passando assim a estar sujeitos às regras gerais da unidade curricular. Esta opção é irreversível. Os estudantes com estatuto de dirigente associativo não estão dispensados da avaliação distribuída.

Melhoria de classificação

Através de Exame Final da Época de Recurso.

A classificação final será calculada do seguinte modo:

CF = MAX (CFN, 0.4*AD + 0.6*R, R) onde

CFN é a classificação final na época normal (de 0 a 20 valores), AD a classificação de avaliação distribuída (de 0 e 20 valores) e R a classificação no exame final da época de recurso (de 0 a 20 valores).

Observações

Os estudantes devem dedicar ao estudo da unidade curricular cerca de 6 horas semanais, para além da normal frequência às aulas teóricas e teórico-práticas. 

No final do semestre, os estudantes deverão ter adquirido as competências necessárias para utilizar sem dificuldade o livro recomendado na bibliografia complementar "A Student's Guide to Maxwell's Equations" de Daniel Fleisch.

Nos testes de avaliação distribuída e no exame final: i) não será permitida a utilização de máquinas de calcular; ii) poderá ser utilizado um FORMULÁRIO que será fornecido atempadamente.

Qualquer tentativa de FRAUDE durante o processo de avaliação distribuída leva à perda de frequência e não admissão a exame.