Experimentos para o ensino de eletrostática com auxílio computadorizado

Abstract

O artigo descreve um experimento para o ensino de eletrostática utilizando programas para cálculo de campos baseados na técnica dos elementos finitos. Avalia as dificuldades de acesso aos programas de simulação de campos. Inclui uma série de recomendações relativasà escolha e preparação dos experimentos que compõem um laboratório para simulação de campos. Utiliza diferentes configurações de um capacitor de placas planas e paralelas para inspecionar fenômenos localizados e calcular grandezas globais. Um estudo comparativo de métodos analíticos e numéricos para cálculo de capacitância e força eletrostáticaé apresentado. Palavras-chave: capacitância, método dos elementos finitos, programas de simulação.The paper describes a CAD experiment for teaching electrostatic using field simulators based on finite element methods. Difficulties related to accessibility of the field simulation software accessibility are addressed. Recommendations on the choice and preparation of the experiments are given. Different configurations of a flat parallel-plate capacitor are used to probe local phenomena and compute global characteristics. A comparison study of analytical and numerical methods for the calculation of capacitance and electrostatic force is included. Keywords: capacitance, finite element methods, simulation software. IntroduçãoO desenvolvimento de projetos e a construção de dispositivos eletromagnéticos são processos complexos e altamente competitivos. Desde a década de 1980, um número expressivo de fabricantes de equipamentos elétricos e centros de pesquisa faz uso de sistemas informáticos para cálculo de campos eletromagnéticos. Em sua grande maioria, esses sistemas usam a técnica dos elementos finitos e estão inseridos dentro da filosofia de projeto com auxílio computadorizado ou, simplesmente, filosofia CAD (Computer-Aided Design) [1][2]. A palavra design, inserida nessa sigla, enfatiza a importância desses sistemas no desenvolvimento de projetos.A diversidade e crescente complexidade de dispositivos eletromagnéticosé um estímulo para se investir em programas e treinamentos voltados para a efetiva utilização das ferramentas modernas de simulação de campos. A realização desses cursos e treinamentos depende muito da infra-estrutura e condições de trabalho da instituição. Em muitos casos, precisam ser criadas parcerias com outras instituições ou grupos acadêmicos mais bem estruturados para viabilizar, tanto o acesso aos programas de simulação quanto o treinamento de futuros instrutores.Atualmente, existem vários programas para o cálculo de campos eletromagnéticos usando a técnica de elementos finitos -daqui por diante referidos como simuladores de campo -cujas licenças para utilização, suporte técnico e atualização periódica são obtidas por um preço bastante elevado, que pode chegarà ordem de dezenas de milhares de dólares. Algumas empresas reduzem consideravelmente os custos das licenças quando há comprovação de que os programas são utilizados tão somente como ferramentas de ensino e pesquisa científica. A utilização d...

Método dos limites e a capacitância exata de um condensador com placas não paralelas

“…Dessa forma, a energia do campo na configuração assumida pelo método MSCé maior quando comparado com o valor de outro método (MI ou ML). Para saber realmente quais as formas das linhas de campo elétrico entre as placas do capacitor original, sugere-se uma simulação numérica [4], ou então, que seja realizado um elaborado experimento para coletar os dados experimentais.…”