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Indaial – 2019 Física ExpErimEntal para o Ensino ii Prof. Robson Lourenço Cavalcante 1a Edição Copyright © UNIASSELVI 2019 Elaboração: Prof. Dr. Robson Lourenço Cavalcante Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: C376f Cavalcante, Robson Lourenço Física experimental para o ensino II. / Robson Lourenço Cavalcante. – Indaial: UNIASSELVI, 2019. 208 p.; il. ISBN 978-85-515-0361-4 1. Física. - Brasil. II. Centro Universitário Leonardo Da Vinci. CDD 530 III aprEsEntação Querido acadêmico! Gostaria de conversar com você por alguns minutos, apenas para ter uma ideia de algumas das características especiais deste livro didático. Antes de irmos mais longe, permita-me dizer que este livro foi escrito com o objetivo de lhe proporcionar atividades experimentais que o ajudarão a aperfeiçoar o seu conhecimento visto na Teoria da Eletrostática ao Magnetismo, Óptica Geométrica e Física Moderna. Assim como no Livro Didático de Física experimental para o Ensino I, este livro se apresenta com uma linguagem simples que dará a você uma melhor compreensão dos assuntos da física relacionados com o eletromagnetismo com muita facilidade. Uma das características importantes deste livro, além das questões nos questionários dos experimentos, é que incluímos uma leitura complementar e também indicações de fontes de leitura de artigos científicos que trarão um aprofundamento dos assuntos abordados. Todos esses recursos tornarão este livro ainda mais útil para o seu crescimento nos conhecimentos de Física. Tenho certeza de que você concordará comigo, pois, ao lê-lo, sentirá como se um professor estivesse sentado ao seu lado e explicando para você, mas claro que também exigirá a sua dedicação, uma vez que você é o principal protagonista do seu aprendizado. Tenha a convicção de que qualquer experimento de Física deve alcançar seus objetivos de forma muito cuidadosa. Para isso, mantenha uma atitude positiva em relação ao assunto, pois será necessário repetir algumas vezes o experimento para verificar se os resultados são coerentes. Todas as unidades deste livro foram divididas em três tópicos. Na Unidade 1, você vai encontrar experiências que tratam de: Eletrostática, Eletrodinâmica e Eletromagnetismo. Na Unidade 2, você vai encontrar experiências que tratam de: Reflexão e Refração da luz, Espelhos Côncavos e Convexos, Lentes, Difração da luz. Na Unidade 3, você vai encontrar experiências que tratam de: Física Moderna, Simulações e Circuitos Ressonantes. Eu espero que você tenha resultados maravilhosos nesta disciplina e que encontre na Física uma experiência emocionante, pois vale a pena. Dedique-se e nunca desista. IV Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! NOTA “Estudar exige muito esforço e dedicação, mas lhe dou a certeza de que cada segundo que você investir valerá a pena, pois os frutos desse investimento virão no tempo certo. Lembre-se disso!!!”. Bons estudos! Prof. Dr. Robson Lourenço Cavalcante V Olá acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você e dinamizar ainda mais os seus estudos, a Uniasselvi disponibiliza materiais que possuem o código QR Code, que é um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta, acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar mais essa facilidade para aprimorar seus estudos! UNI VI VII UNIDADE 1 – O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO .......................... 1 TÓPICO 1 – ELETROSTÁTICA ............................................................................................................ 3 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3 2 EXPERIMENTO: DESVIO DA ÁGUA ............................................................................................ 3 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 4 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 4 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 5 3 EXPERIMENTO: ELETRIZAÇÃO DAS BEXIGAS ........................................................................ 5 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 6 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 6 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 7 4 EXPERIMENTO: ATRAINDO UMA LATA POR INDUÇÃO ..................................................... 8 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 8 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 8 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 10 5 EXPERIMENTO: CONSTRUINDO UM ELETROSCÓPIO DE FOLHAS ................................ 10 5.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 10 5.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 11 5.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 13 6 EXPERIMENTO: GAIOLA DE FARADAY ...................................................................................... 13 6.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 13 6.2 PARTE EXPERIMENTAL ...............................................................................................................14 6.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 14 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 15 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 16 TÓPICO 2 – ELETRODINÂMICA ....................................................................................................... 19 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 19 2 EXPERIMENTO: RESISTORES E CÓDIGO DE CORES ............................................................. 19 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 19 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 21 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 22 3 EXPERIMENTO: RESISTIVIDADE ELÉTRICA ............................................................................ 23 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 23 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 24 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 27 4 EXPERIMENTO: ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES EM SÉRIE ............................................... 27 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................ 27 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 28 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 31 5 EXPERIMENTO: ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE RESISTORES ....................................... 31 5.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 31 5.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 32 sumário VIII 5.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 34 6 EXPERIMENTO: CIRCUITOS COM LÂMPADAS ....................................................................... 34 6.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 34 6.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 35 6.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 37 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 38 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 39 TÓPICO 3 – ELETROMAGNETISMO ................................................................................................ 41 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 41 2 EXPERIMENTO: LINHAS DE CAMPO MAGNÉTICO ............................................................... 41 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 42 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 42 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 43 3 EXPERIMENTO: BLINDAGEM MAGNÉTICA ............................................................................. 43 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 43 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 44 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 46 4 EXPERIMENTO: ELETROÍMÃ .......................................................................................................... 46 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 46 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 47 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 48 5 EXPERIMENTO: INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA .................................................................. 48 5.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 49 5.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 49 5.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 50 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 51 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 56 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 57 UNIDADE 2 – OS FENÔMENOS DA ÓPTICA GEOMÉTRICA ................................................... 59 TÓPICO 1 – REFLEXÃO E REFRAÇÃO DA LUZ ............................................................................. 61 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 61 2 EXPERIMENTO: LEI DA REFLEXÃO – ESPELHO PLANO ........................................................ 62 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 62 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 62 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 65 3 EXPERIMENTO: CAMPO DE VISÃO E IMAGEM ESPELHO PLANO ................................... 66 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 66 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 66 3.3 QUESTIONÁRIO .............................................................................................................................70 4 EXPERIMENTO: CÂMARA ESCURA.............................................................................................. 70 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 70 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 71 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 74 5 EXPERIMENTO: REFRAÇÃO DA LUZ – LEI DE SNELL ............................................................ 74 5.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 74 5.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 75 5.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 77 6 EXPERIMENTO: CONSTRUÇÃO DE UM PERISCÓPIO ........................................................... 77 6.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 77 IX 6.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 78 6.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 80 7 EXPERIMENTO: ÍNDICE DE REFRAÇÃO DA ÁGUA ................................................................ 80 7.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 80 7.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 81 7.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 82 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 83 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 84 TÓPICO 2 – ESPELHOS CÔNCAVOS E CONVEXOS E LENTES ................................................ 87 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 87 2 EXPERIMENTO: LENTES BICONVEXA E BICÔNCAVA ........................................................... 88 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 88 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 89 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 91 3 EXPERIMENTO: ESPELHO CÔNCAVO ....................................................................................... 92 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 92 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 93 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 95 4 EXPERIMENTO: RAIOS DE LUZ NO ESPELHO CONVEXO .................................................... 95 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 95 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 96 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 98 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 99 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 100 TÓPICO 3 – DIFRAÇÃO DA LUZ ....................................................................................................... 103 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 103 2 EXPERIMENTO: ESPECTROSCÓPIO CASEIRO ......................................................................... 103 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 104 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 104 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 106 3 EXPERIMENTO: MEDIÇÃO DO DIÂMETRO DO CABELO .................................................... 107 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 107 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 108 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 110 4 EXPERIMENTO: TAMANHO DAS TRILHAS DE CD, DVD E BLU-RAY ............................... 111 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 111 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 112 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 114 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 115 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 120 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 121 UNIDADE 3 – FÍSICA MODERNA, SIMULAÇÕES E CIRCUITOS RESSONANTES ............ 125 TÓPICO 1 – FÍSICA MODERNA ......................................................................................................... 127 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 127 2 EXPERIMENTO: EFEITO FOTOELÉTRICO ................................................................................... 127 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 128 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 128 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 130 X 3 EXPERIMENTO: RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO ................................................................... 131 3.1 PARTE TEÓRICA .............................................................................................................................131 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 132 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 133 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 134 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 140 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 141 TÓPICO 2 – SIMULAÇÕES ................................................................................................................... 145 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 145 2 SIMULAÇÃO 1: ELETROSTÁTICA ................................................................................................. 146 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 146 2.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 147 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 148 3 SIMULAÇÃO 2: CAMPO ELÉTRICO E POTENCIAL ELÉTRICO ............................................ 148 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 148 3.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 150 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 151 4 SIMULAÇÃO 3: RESISTÊNCIA ELÉTRICA – ÁREA, RESISTIVIDADE E COMPRIMENTO .................................................................................................................................. 152 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 152 4.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 152 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 154 5 SIMULAÇÃO 4: CIRCUITO COM RESISTOR E LÂMPADA .................................................... 154 5.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 155 5.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 155 5.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 161 6 SIMULAÇÃO 5: ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES SÉRIE ......................................................... 161 6.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 161 6.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 162 6.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 165 7 SIMULAÇÃO 6: ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO ........................................ 165 7.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 166 7.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 166 7.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 169 8 SIMULAÇÃO 7: LEI DE OHM ........................................................................................................... 170 8.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 170 8.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 170 8.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 172 9 SIMULAÇÃO 8: LEI DE FARADAY ............................................................................................. 172 9.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 172 9.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................... 173 9.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 175 10 SIMULAÇÃO 9: TRANSFORMADOR ELÉTRICO..................................................................... 176 10.1 PARTE TEÓRICA ........................................................................................................................... 176 10.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................. 177 10.3 QUESTIONÁRIO ........................................................................................................................... 178 11 SIMULAÇÃO 10: GERADOR DE ENERGIA ................................................................................ 179 11.1 PARTE TEÓRICA ........................................................................................................................... 179 11.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................. 179 11.3 QUESTIONÁRIO ........................................................................................................................... 180 12 SIMULAÇÃO 11: REFRAÇÃO DA LUZ ........................................................................................ 180 XI 12.1 PARTE TEÓRICA ........................................................................................................................... 181 12.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................. 181 12.3 QUESTIONÁRIO ........................................................................................................................... 184 13 SIMULAÇÃO 12: ESPECTRO DE RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO ................................... 184 13.1 PARTE TEÓRICA ........................................................................................................................... 184 13.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................................................. 186 13.3 QUESTIONÁRIO ........................................................................................................................... 188 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 189 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................190 TÓPICO 3 – CIRCUITOS CAPACITIVOS E INDUTIVOS ............................................................ 193 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 193 2 EXPERIMENTO: CARREGAMENTO DE UM CAPACITOR – CIRCUITO RC SÉRIE ......... 193 2.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 194 2.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 195 2.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 196 3 EXPERIMENTO: CARREGAMENTO DE UM INDUTOR – CIRCUITO RL SÉRIE .............. 196 3.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 197 3.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 198 3.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 198 4 EXPERIMENTO: CIRCUITO RLC SÉRIE – RESSONÂNCIA ELÉTRICA................................ 199 4.1 PARTE TEÓRICA ............................................................................................................................. 199 4.2 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................................... 201 4.3 QUESTIONÁRIO ............................................................................................................................. 202 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 203 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 204 REFERÊNCIAS ......................................................................................................................................... 207 1 UNIDADE 1 O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de: • comprovar experimentalmente os fenômenos ensinados na teoria; • entender os processos de transferência de carga entre os corpos e eletrização; • possibilitar a montagem de experimentos simples para estudantes de ní- vel básico; • medir a resistência de resistores com o multímetro; • compreender o comportamento da corrente numa associação de resistores; • compreender o funcionamento da Lei de Faraday; • construir o próprio eletroímã. Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado. TÓPICO 1 – ELETROSTÁTICA TÓPICO 2 – ELETRODINÂMICA TÓPICO 3 – ELETROMAGNETISMO 2 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 ELETROSTÁTICA 1 INTRODUÇÃO O fenômeno natural da eletricidade estática é conhecido desde os tempos antigos. Conforme relata a história, o crédito da descoberta de eletricidade estática é atribuído a Thales de Mileto, por volta de 600 a.C. Ele observou que o âmbar esfregado com lã ou pano atrai objetos mais leves. Isso ocorre porque o âmbar ganha carga elétrica esfregando. Outras experiências revelaram que quando um objeto é esfregado com outro, ambos se tornam carregados. Por muitos anos, os gregos pensaram que esse fenômeno é devido à propriedade única do âmbar. O que Thales percebeu não é nada além da eletricidade estática. Eletricidade vem da palavra grega elektron, que significa âmbar. No estado normal, todos os átomos em um objeto contêm um número igual de elétrons e prótons. No entanto, quando um objeto é esfregado com outro, poucos elétrons de um objeto se movem para outro. O objeto que recebeu elétrons extras tem mais elétrons do que prótons. Então, ele se torna negativamente carregado. Da mesma forma, o objeto que doa elétrons perde poucos elétrons e tem menos elétrons que prótons. Então, ele se torna positivamente carregado. A eletrostática é um ramo da física que estuda o campo elétrico estático produzido por cargas elétricas estáticas. Ela desempenha um papel importante na vida cotidiana. As várias aplicações de eletrostática incluem fotocopiadoras, desfibrilador, spray de tinta, precipitador eletrostático, display de cristal líquido (LCD), teclado, touch pads, componentes eletrônicos, como capacitores, resistores etc. funcionam com base em eletrostática. Neste tópico, você será capaz de entender na prática como funcionam os processos de eletrização com diferentes materiais. Está preparado, acadêmico? Mãos à obra! 2 EXPERIMENTO: DESVIO DA ÁGUA OBJETIVO: • Verificar o desvio do fluxo de água após eletrizar um pente. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 4 2.1 PARTE TEÓRICA Já parou para pensar o que você pode fazer após pentear o seu cabelo? Sabia que após realizar essa atividade cotidiana o pente pode desviar o percurso de um filete de água? Vamos ver como funciona. Quando você penteia o seu cabelo, minúsculas partes dos átomos em seu cabelo, chamados elétrons, são transferidos para o pente. Esses elétrons têm uma carga negativa. Lembre-se disso, é importante. Agora que o pente tem uma carga negativa, ele é atraído por coisas que têm uma carga positiva. É semelhante à maneira como alguns ímãs são atraídos para certos metais. Quando você traz o pente carregado negativamente perto do filete de água, ele é atraído pelas cargas positivas da água, deixando-a polarizada. A atração é forte o suficiente para realmente puxar a água para o pente enquanto ela está fluindo. FIGURA 1 – DESVIO DA ÁGUA (A) FONTE: O autor 2.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Água corrente • Pente de plástico limpo • Canudo de plástico PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Ligue a torneira e deixe a água fluir de forma constante, formando um filete bem fino: TÓPICO 1 | ELETROSTÁTICA 5 FIGURA 2 – DESVIO DA ÁGUA (B) FONTE: O autor 2- Pegue um pente de plástico e passe-o pelo cabelo de 5 a 6 vezes ou mais. Aproxime o pente imediatamente perto do filete de água, mas não encoste o pente e nem deixe ele se molhar. 3- Agora pegue um canudo de plástico e coloque-o entre uma folha de papel. Aperte a parte do canudo dentro do papel, esfregue-o muitas vezes apenas em um único sentido e depois aproxime do filete de água na torneira. FIGURA 3 – DESVIO DA ÁGUA (C) FONTE: O autor 2.3 QUESTIONÁRIO 1 O que é eletrização por atrito? 2 Quando você atritou o pente no cabelo, por que ele atraiu o filete de água? E com o canudo de plástico? 3 Se você realizasse esse experimento com um bastão de madeira, você teria o mesmo resultado? Justifique. 3 EXPERIMENTO: ELETRIZAÇÃO DAS BEXIGAS OBJETIVO: • Eletrizar um balão por meio da eletrização por atrito e verificar os efeitos. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 6 3.1 PARTE TEÓRICA O processo de esfregar um corpo com outro faz com que haja transferência de cargas de um para o outro. Esse processo chamamos de eletrização por atrito. Ao esfregar o balão com um pedaço de tecido ou no cabelo lhe dá uma carga negativa, também conhecida como eletricidade estática. A eletricidade estática suficiente forçará o balão a aderir superfícies com carga neutra, como paredes, atraindo a carga positiva para a superfície. O balão é leve, então essa carga é suficiente para que ele fique grudado na parede. Se você tentar deixar o balão na parede, eventualmente ele cairá no chão. Nesse caso, a carga estática se dissipa com o tempo, fazendo com que o balão perca sua carga negativa, ficando neutro e se solte. Nesse experimento iremos eletrizar um balão e verificar o que acontece quando o aproximamosde um pente ou outro balão. 3.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Duas bexigas • Fita adesiva • Fios • Pente PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Encha os balões para que fiquem com o mesmo tamanho aproximadamente. Para evitar que os balões se esvaziem, faça um nó bem firme em suas extremidades. 2- Amarre um fio longo em cada balão. 3- Use uma fita adesiva para colar as pontas soltas da linha na superfície de uma mesa. Os balões devem ser colocados de tal forma que ambos fiquem paralelos entre si e não devem tocar o chão nem devem ficar colados uns aos outros. 4- Agora pegue as duas bexigas e eletrize-as por atrito no cabelo durante 10 a 15 segundos. 5- Depois coloque-as na posição conforme a Figura 4 e aproxime-as lentamente para verificar o que acontece. TÓPICO 1 | ELETROSTÁTICA 7 FIGURA 4 – BEXIGAS PENDURADAS FONTE: O autor 6- Para descarregar os balões encoste-os no chão. 7- Agora use um pente de plástico e passe-o pelo cabelo pelo menos 5 ou 6 vezes. Nesse ponto, o pente fica carregado de eletricidade estática, enquanto os balões não têm carga alguma. 8- Toque suavemente o pente em um dos balões e você perceberá que ambos são atraídos um para o outro instantaneamente. 9- Agora carregue o pente mais uma vez, passando-o pelos cabelos. Dessa vez, toque o pente para ambos os balões e você perceberá que eles se repelem. Observação: Esse experimento é um exemplo clássico do princípio da física que afirma: "Forças opostas se atraem e como forças repelem". No primeiro caso, os dois balões atraem, porque um dos balões está carregado positivamente enquanto o outro não tem carga alguma. No segundo caso, os dois balões se repelem, porque ambos foram carregados positivamente. IMPORTANT E 3.3 QUESTIONÁRIO 1 De que tipo de material o balão é constituído? 2 Os fios que seguram os balões podem ser metálicos? 3 O que aconteceu com os balões ao atritá-los no cabelo? 4 Ao esfregar o pente no cabelo ele ficou eletrizado. O que aconteceu com os balões quando você pegou o pente eletrizado e encostou ao mesmo tempo nos dois balões? UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 8 4 EXPERIMENTO: ATRAINDO UMA LATA POR INDUÇÃO OBJETIVO: • Verificar a eletrização por indução e o processo de polarização. 4.1 PARTE TEÓRICA A eletrização por indução ocorre quando aproximamos um corpo eletricamente carregado (positivo ou negativo) de um corpo no estado neutro (mesma quantidade de prótons e elétrons). No corpo neutro há o processo de polarização, ou seja, há a separação das cargas positivas para um lado e as cargas negativas para o outro. A lata de alumínio vazia se apresenta de forma neutra, o que significa que tem números iguais de elétrons e prótons espalhados uniformemente ao redor dela. Após a eletrização por atrito, quando a região do balão carregada com elétrons (carga negativa) é mantida perto da lata, ela repele os elétrons na parte da lata mais próxima do balão, isso faz com que os elétrons do objeto sejam repelidos. Como agora há menos elétrons naquela região da lata próxima do balão (e, portanto, proporcionalmente mais prótons), você induziu uma carga positiva naquela área da lata. O balão carregado negativamente, então, atrai a parte carregada positivamente da lata, puxando-a, porque um objeto positivamente carregado atrairá um objeto carregado negativamente. À medida que rola, os elétrons mais próximos do balão são constantemente forçados a se afastar, fazendo com que a área carregada positivamente mais próxima ao balão seja atraída para a lata. Como resultado, enquanto o balão estiver na frente da lata, a lata irá rolar em direção a ele. FIGURA 5 – POLARIZAÇÃO DA LATA FONTE: O autor 4.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Lata de refrigerante vazia • Um balão TÓPICO 1 | ELETROSTÁTICA 9 • Seu cabelo (cabelos secos, não muito curtos, sem produtos de cabelo, funciona melhor) • Uma superfície plana, como uma mesa ou um piso PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Encha o balão e amarre-o. FIGURA 6 – BALÃO CHEIO DE AR FIGURA 7 – LATA NA MESA FONTE: O autor FONTE: O autor 2- Coloque a lata vazia na posição horizontal em uma mesa ou no chão – em qualquer lugar que seja plano e liso. Segure com o dedo até que ela fique parada. 3- Aproxime o balão da lata e verifique o que acontece. 4- Esfregue o balão para frente e para trás, rapidamente, no seu cabelo. 5- Aproxime a região atritada do balão a cerca de 2,5 cm da lateral da lata. 6- Afaste o balão da lata – devagar – e ela seguirá o balão. Se você mover o balão para o outro lado da lata, ela rolará na outra direção. OBS.: Quanto maior for o tempo ao atritar o balão no cabelo, mais eletrizado ficará. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 10 7- Repita o experimento atritando dois balões. Um deles será atritado mais tempo do que o outro, e ao realizar os procedimentos 5 e 6, verifique se há diferença no movimento da lata. 8- Agora faça o mesmo experimento com um pedaço de cano de plástico e verifique o que ocorre. 4.3 QUESTIONÁRIO 1 Como você explica o movimento da lata? 2 O que é polarização? 3 Quando você atritou os dois balões com tempos diferentes, em qual momento a lata rolou mais rápido? 4 Se você aproximasse dois balões, um pelo lado direito e outro pelo lado esquerdo da lata, o que aconteceria? Justifique. 5 EXPERIMENTO: CONSTRUINDO UM ELETROSCÓPIO DE FOLHAS OBJETIVO: • Construir um eletroscópio de folhas e entender o seu funcionamento. 5.1 PARTE TEÓRICA Uma das maneiras interessantes para verificarmos se um corpo está eletrizado ou não é por meio do eletroscópio. Ele é muito fácil de ser construído, mas antes é necessário que se tenha um bom entendimento do comportamento de alguns materiais para entender melhor e aprofundar a compreensão da eletrostática, que é o estudo das cargas elétricas em repouso. Os materiais são geralmente considerados condutores ou isoladores, com base em sua capacidade de conduzir ou bloquear a eletricidade. Metais como o cobre e o ferro, por exemplo, são classificados como condutores, porque alguns dos elétrons presentes nesses materiais estão livres para se mover em torno de todo o material. Eles são materiais que transmitem eletricidade, no entanto, alguns condutores transmitem eletricidade melhor que outros. Cobre e prata são alguns dos melhores condutores, metais, carbono e água (observe que se a água for um bom condutor é apenas se contiver alguma impureza, porque a água pura não é um bom condutor). TÓPICO 1 | ELETROSTÁTICA 11 Por outro lado, os elétrons presentes em um pedaço de vidro ou um pedaço de madeira, por exemplo, estão ligados a átomos próximos, isso significa que esses elétrons não poderão se mover livremente dentro do material. Por esse motivo, materiais como vidro e madeira são classificados como isolantes. Na construção do eletroscópio, trabalharemos com materiais que possuem as características vistas anteriormente. Vamos trabalhar? FIGURA 8 – ELETROSCÓPIO DE FOLHAS FONTE: O autor 5.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Garrafa de vidro transparente com tampa de plástico ou rolha de cortiça • Fita isolante • Fio de cobre • Tesouras • Pistola de cola quente (se possível) • Folha de alumínio • Balão • Caneta • Canudo • Pente PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Realize esse experimento em um dia seco! O experimento pode não funcionar se estiver úmido ou chovendo. 1- Comece perfurando um buraco na tampa do frasco, grande o suficiente para que o fio de cobre passe. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 12 2- Insira o fio de cobre no buraco da tampa. Para prender o fio, você pode colá-lo com cola quente ou passar uma fita isolante em torno do buraco, de modo que fique bem preso à tampa. OBS.: lembre-se de deixar a parte do fio de cobre que fica dentro da garrafa sem encostar na sua base. Dependendo da garrafa, deixe a ponta do fio de 5 a 7 cm de distância da base. 3- Use o alicate para dobrar a borda do fio de cobreem um gancho para prender a folha de alumínio mais tarde. 4- Pegue um pedaço de folha de alumínio, amasse-a e transforme-a numa esfera. 5- Com a parte do fio que ficará fora da garrafa, perfure a esfera metálica. FIGURA 9 – PARTE INTERNA DO ELETROSCÓPIO DE FOLHAS FIGURA 10 – FOLHA DE ALUMÍNIO FIGURA 11 – FOLHA DE ALUMÍNIO JUNTO À PARTE INTERNA DO ELETROSCÓPIO FONTE: O autor FONTE: O autor FONTE: O autor 6- Corte uma fita de papel alumínio, conforme mostra a figura a seguir: 7- Dobre a folha de alumínio ao meio, prenda-a no suporte e deixe-as em contato. TÓPICO 1 | ELETROSTÁTICA 13 8- Coloque o esquema do procedimento 7 dentro da garrafa. 9- Agora é hora de dar aos nossos materiais uma carga estática! Esfregue cada um dos seus materiais vigorosamente (pente, caneta, canudo, balão) no cabelo e verifique o que acontece ao aproximar da esfera metálica – sem tocar. 10- Durante a execução do procedimento 9, continue com um dos materiais próximo à esfera e, com o dedo da outra mão, toque nela. Verifique o que acontece. 11- Depois repita o procedimento 9 atritando os materiais em um pedaço de lã. 12- Retire a esfera metálica e coloque uma esfera de isopor. Refaça o procedimento 9 e verifique o que acontece. 5.3 QUESTIONÁRIO 1 Quais foram os conceitos importantes de física que você aprendeu com essa atividade? 2 O que é um eletroscópio de folhas? 3 Por que foi utilizado papel alumínio e não de plástico? 4 Ao aproximar um corpo eletrizado da esfera metálica, o que aconteceu com as folhas de alumínio? 5 Quando você encostou o dedo na esfera metálica, o que aconteceu? Explique. 6 EXPERIMENTO: GAIOLA DE FARADAY OBJETIVO: • Demonstrar o efeito da blindagem eletrostática. 6.1 PARTE TEÓRICA De forma mais simples, as gaiolas de Faraday distribuem carga eletrostática em torno de seu exterior. Elas, portanto, atuam como um escudo para qualquer coisa dentro delas. As gaiolas são, nesse aspecto, uma forma de condutor oco pelo qual a carga elétrica permanece apenas na superfície externa da gaiola. Em essência, os condutores possuem uma quantidade imensa de elétrons livres que lhes permitem conduzir eletricidade. Quando não há carga elétrica líquida presente, o condutor tem, mais ou menos, o mesmo número de partículas positivas e negativas que se misturam ao longo dele. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 14 Se um objeto externo com carga elétrica se aproximar da gaiola, as partículas positivas e os elétrons livres (negativos) no condutor se separam de forma muito rápida. Se o objeto que está se aproximando estiver carregado positivamente, os elétrons em movimento livre se movimentam em direção a ele. Isso deixa o restante do material da gaiola relativamente desprovido de elétrons, o que lhe confere uma carga positiva. Se o objeto se aproximar, ele é carregado negativamente e ocorre o oposto e os elétrons são repelidos, mas o efeito líquido é o mesmo, apenas no sentido inverso. Esse processo é chamado de indução eletrostática e cria um campo elétrico oposto ao do objeto externo, cancelando-o e isolando o interior da gaiola do campo elétrico externo. Então, para que são usadas as gaiolas de Faraday? Há muitas aplicações da gaiola de Faraday em automóveis, aviões, placas de circuitos elétricos, subestações para proteger transformadores etc. Ambas as fuselagens de um avião e carro atuam como gaiolas de Faraday para seus ocupantes. 6.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Celular • Caixa de som com Bluetooth • Papel alumínio PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Ligue o celular. 2- Recorte uma folha de alumínio de tal forma que possa cobrir o celular. 3- Conecte o celular com o Bluetooth da caixinha de som e deixe tocar alguma música. 4- Cubra o celular com a folha de alumínio e verifique o que acontece. 5- Peça para alguém fazer uma ligação para o celular que está coberto pela folha de alumínio. 6.3 QUESTIONÁRIO 1 O que é a gaiola de Faraday? 2 Por que o campo elétrico é nulo no interior da gaiola? 3 O que aconteceu com a caixa de som após o celular ser coberto pelo papel alumínio? 4 E com a ligação, o que houve? Explique. 15 Neste tópico, você aprendeu que: • O processo de eletrização dos corpos é formado por três tipos: Eletrização por Atrito, Eletrização por Contato e Eletrização por Indução. • Uma Gaiola de Faraday é uma estrutura metálica que tem a capacidade de proteger qualquer dispositivo que se encontra dentro dela, eliminando o efeito dos campos elétricos externos e, assim, protegendo-o. • Um eletroscópio de folhas é formado por uma simples garrafa de vidro; esfera metálica presa por um fio e um pequeno pedaço de papel alumínio. Nele podemos visualizar a separação de cargas elétrica no papel alumínio quando aproximamos um corpo eletrizado da esfera metálica que fica na parte externa da garrafa. RESUMO DO TÓPICO 1 16 AUTOATIVIDADE 1 O processo de eletrização por indução é uma das formas que usamos para eletrizar um corpo neutro aproximando um corpo eletrizado e conectando o corpo neutro à terra. Mas também podemos fazer uma separação das cargas no corpo neutro sem conectá-lo à erra. Considere um bastão carregado positivamente, que se aproxima dos corpos neutros A e B. Qual será a configuração das cargas distribuídas? FONTE: O autor a ( ) b) ( ) c) ( ) d) ( ) e) ( ) NDA 2 A blindagem eletrostática é o fenômeno observado quando a gaiola de Faraday opera para bloquear os efeitos do campo elétrico externo em seu interior, de modo a fazer com que materiais dentro dela estejam em segurança. Qual é o tipo de material que deve constituir essa gaiola? a) ( ) Borracha. b) ( ) Metal. c) ( ) Papelão. d) ( ) Plástico. e) ( ) N.D.A. 3 As cargas na placa condutora são mantidas por uma fonte de tensão. A esfera condutora é inicialmente carregada positivamente e é anexada a um ponto fixo por um fio não condutor. Para onde a esfera vai se deslocar? 17 FONTE: O autor a) ( ) Esquerda. b) ( ) Direita. c) ( ) Não sairá do lugar. d) ( ) Para cima. e) ( ) N.D.A. 18 19 TÓPICO 2 ELETRODINÂMICA UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Neste tópico, vamos considerar situações que envolvem cargas elétricas que estão se movendo através de uma determinada região do espaço. Estamos falando da Eletrodinâmica. O termo corrente elétrica é usado para descrever a relação de fluxo de carga. As aplicações mais práticas de eletricidade no nosso dia a dia estão relacionadas a correntes elétricas. Por exemplo, uma bateria em uma lanterna fornece corrente elétrica para que a lâmpada ilumine uma determinada região. Outro assunto importante que abordaremos trata alguns dos fatores que impedem o fluxo de cargas nos condutores. Esses fatores estão relacionados à resistência elétrica oferecida pelos condutores e que representaremos por um resistor. Também verificaremos como montar circuitos elétricos com resistores e com lâmpadas e ajudá-lo na interpretação. Vamos começar? Bom trabalho. 2 EXPERIMENTO: RESISTORES E CÓDIGO DE CORES OBJETIVO: • Medida da resistência pelo código de cores. 2.1 PARTE TEÓRICA Resistor é um elemento que tem como finalidade dificultar a passagem da corrente elétrica em um determinado trecho de um circuito. Há vários tipos de resistores utilizados na prática, cujo tamanho depende da potência necessária no projeto de circuitos. Existem resistores que possuem faixa de cores que possibilitam encontrar o valor de resistência de um resistor. Como mostrado na figura a seguir, há resistores de cinco faixas e resistores de quatro faixas. Nesses resistores, a última faixa indica a tolerância, ou seja, a porcentagem a mais ou a menos do valor da resistência encontrada nas faixas de cores anteriores. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 20 FIGURA 12 – REPRESENTAÇÃO DOS CÓDIGOS DE CORES NOS RESISTORES FONTE: O autor Mas, como se faz a leitura?Para um resistor de quatro faixas, a primeira indica o primeiro dígito, a segunda faixa é o segundo dígito e a terceira faixa indica o fator multiplicativo. Os valores numéricos correspondentes às faixas estão listados no Quadro 1 a seguir. A primeira faixa de cor é marrom e associamos o número (1); a segunda faixa é preta e associamos o número (0); a terceira faixa é o fator multiplicativo cuja cor é vermelha e associamos o número (100) para multiplicar. A faixa de cor do multiplicador sendo vermelha (2) significa o número de zeros adicionados será 2, ou em outras palavras, multiplicamos o número formado por 100, o que justifica o acréscimo de dois zeros, obtendo assim uma resistência de 1000 Ω ± 5%. Para compreender qual é o fator multiplicador, basta identificar a cor correspondente à tolerância e observar a faixa anterior a ela. Isso vale para resistores apresentados aqui. 1ª Faixa 2ª Faixa 3ª Faixa Fator multiplicativo Tolerância Preto 0 0 0 1 Marrom 1 1 1 10 ± 1% Vermelho 2 2 2 100 ± 2% Laranja 3 3 3 1000 Amarelo 4 4 4 10000 Verde 5 5 5 100000 Azul 6 6 6 1000000 Violeta 7 7 7 10000000 Cinza 8 8 8 100000000 Branco 9 9 9 1000000000 Ouro ± 5% Prata ± 10% Branco ± 20% QUADRO 1 – VALORES NUMÉRICOS CORRESPONDENTES ÀS FAIXAS DE CORES FONTE: O autor TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 21 2.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Resistores com código de cores • Lupa • Calculadora • Multímetro PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Encontre o valor das resistência usando o código de cores. Valor da Resistência Tolerância (%) Vermelho, vermelho, vermelho, dourado _______ Ω (± ____%) (± ____%) Verde, azul, amarelo, cinza _______ Ω (± ____%) (± ____%) Amarelo, violeta, laranja, cinza _______ Ω (± ____%) (± ____%) Marrom, preto, marrom, dourado _______ Ω (± ____%) (± ____%) QUADRO 2 – DADOS PARA RESISTÊNCIA COM CÓDIGO DE CORES FONTE: O autor 2- Identifique as cores para os respectivos resistores de acordo com o valor da resistência fornecida. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 22 Valor da Resistência Cores 120 Ω (± 10%) 440 Ω (± 5%) 1,5 kΩ (± 10%) 5,7kΩ (± 10%) Valor da Resistência Leitura do multímetro Diferença Erro (%) _______ Ω (± ____%) _______ Ω _______ Ω _______ Ω (± ____%) _______ Ω _______ Ω _______ Ω (± ____%) _______ Ω _______ Ω _______ Ω (± ____%) _______ Ω _______ Ω QUADRO 3 – INDICAR AS CORES PARA RESISTÊNCIA FONTE: O autor 3- Escolha quatro resistores disponíveis no laboratório e determine a resistência pelo código de cores e pelo multímetro. Após obter essas medidas, faça a diferença entre os valores obtidos e calcule o erro percentual. OBS.: Para a resistência com o código de cores use somente o valor sem a tolerância para fazer a diferença. FONTE: O autor QUADRO 4 – DADOS PARA RESISTÊNCIA 2.3 QUESTIONÁRIO 1 Como você define resistência? 2 Por que os resistores possuem tolerância? 3 Cite alguns tipos de resistores encontrados em circuitos elétricos? 4 Existem diferenças entre os valores medidos com os registrados pelos códigos de cores? TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 23 3 EXPERIMENTO: RESISTIVIDADE ELÉTRICA OBJETIVOS: • verificar a dependência da resistência elétrica em relação ao comprimento do fio; • verificar a dependência da resistência elétrica em relação à área da seção reta do fio; • determinar a resistividade elétrica para fios metálicos. 3.1 PARTE TEÓRICA Quando começamos a estudar a eletricidade encontramos duas grandezas importantes, que são a resistência e a resistividade elétrica. A resistência elétrica, R, é uma característica do fio como um todo, dependendo do comprimento, da espessura e do material com o qual ele é produzido. A resistividade elétrica, ρ, é uma propriedade específica dos materiais e depende de suas características microscópicas. Quando obtemos dois fios de diferentes tamanhos e espessuras, feitos de um mesmo metal, podem apresentar um valor diferente de resistência, mas apresentarão a mesma resistividade, pois são constituídos do mesmo material. Um material que obedece razoavelmente à lei de Ohm denomina-se condutor ôhmico ou condutor linear. Para esse tipo de material, a uma dada temperatura, a resistividade elétrica, ρ, é uma constante. Valores da resistividade para algumas substâncias são apresentados no quadro a seguir: Material Resistividade (Ω-m) a 20 °C Cobre 1,72×10−8 Alumínio 2,92×10−8 Níquel 6,99×10−8 Ferro 1,0×10−7 Constantan 4,9×10−7 Níquel-cromo 1,10×10−6 QUADRO 5 – VALORES DA RESISTIVIDADE NA TEMPERATURA AMBIENTE (20 °C) FONTE: O autor Existe uma lei que relaciona a resistividade, comprimento do fio e a sua área da seção transversal. Ela é definida como: LR A ρ= UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 24 Em que ρ é a resistividade, L é o comprimento do condutor e A é a área da seção transversal. 3.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • 1 fonte de alimentação contínua • 2 multímetros • 1 placa de condutores de níquel-cromo, constantan e cobre • fios de ligação PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL RESISTÊNCIA VERSUS COMPRIMENTO 1- Pegue o fio de cobre, coloque somente entre os pinos (A e B) e (B e C) e monte na placa conforme a Figura 13. OBS.: A distância entre os pinos A, B e B, C deve ser a mesma para facilitar. FIGURA 13 – MONTAGEM DO FIO A SER ESTUDADO FIGURA 14 – MONTAGEM DO CIRCUITO A SER ESTUDADO FONTE: O autor FONTE: O autor 2- Com a montagem do item 1, coloque um multímetro na escala de corrente (escala de mA) e conclua a montagem da figura seguinte sem ligar a fonte de tensão na energia. TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 25 3- Coloque um terminal do outro multímetro no ponto A e o outro no ponto B. Coloque-o na escala de voltagem. Ligue a fonte de tensão numa voltagem de 3,0 V e meça o valor registrado pelo voltímetro conforme a Figura 15. OBS.: Faça uma leitura rápida para não aquecer demais o fio. FIGURA 15 – MEDIDA DA TENSÃO ENTRE OS PONTOS AB FONTE: O autor 4- Depois repita o procedimento do item 3 desconectando os terminais do voltímetro e da fonte no ponto B, colocando-os no ponto C e faça a medida da tensão no voltímetro. OBS.: O terminal no ponto A não é retirado. FIGURA 16 – MEDIDA DA TENSÃO ENTRE OS PONTOS AC FONTE: O autor 5- Repita os procedimentos dos itens 3 e 4 com os fios de níquel-cromo e constantan. Com esses dados, preencha os quadros 6, 7 e 8 se estão a seguir: UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 26 FIO Comprimento (cm) Voltagem (V) Corrente (mA) Resistência (Ω) Cobre L1(A-->B) = V1 = i1 = 1 1 V i = L2(A-->C) = V2 = i2 = 2 2 V i = FIO Comprimento (cm) Voltagem (V) Corrente (mA) Resistência (Ω) Níquel- cromo L1(A-->B) = V1 = i1 = 1 1 V i = L2(A-->C) = V2 = i2 = 2 2 V i = FIO Comprimento (cm) Voltagem (V) Corrente (mA) Resistência (Ω) Constantan L1(A-->B) = V1 = i1 = 1 1 V i = L2(A-->C) = V2 = i2 = 2 2 V i = QUADRO 6 – VALORES DA TENSÃO, CORRENTE RESISTÊNCIA E COMPRIMENTO DO FIO DE COBRE QUADRO 7 – VALORES DA TENSÃO, CORRENTE RESISTÊNCIA E COMPRIMENTO DO FIO DE NÍQUEL-CROMO QUADRO 8 – VALORES DA TENSÃO, CORRENTE RESISTÊNCIA E COMPRIMENTO DO FIO DE CONSTANTAN FONTE: O autor FONTE: O autor FONTE: O autor 6- Com os valores da resistência e comprimento para cada tipo de fio, construa um gráfico para cada. 7- Obtenha a tangente da inclinação de cada reta. Essa tangente será igual a: ( )tg A ρθ = 8- Com um paquímetro, meça o diâmetro dos fios e calcule a área da seção transversal usando a seguinte equação: 2 4 dA π= TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 27 FIO Diâmetro (cm) Área (cm2) Cobre d = A = Níquel-Cromo d = A = Constantan d = A = FIO Resistividade ρ (Ω.cm) Cobre ρ = Níquel-Cromo ρ = Constantan ρ = QUADRO 9 – VALORES DA ÁREA E DIÂMETRO DOS FIOS QUADRO 10 – VALORES DA RESISTIVIDADE DOS FIOS FONTE: O autor FONTE: O autor 9- Com o valor da tangente e área, determine a resistividade para cada fio e preencha o quadro a seguir: 3.3 QUESTIONÁRIO 1 O que é resistividade? 2 O que aconteceu com a resistênciaquando o comprimento aumentou? 3 Quando mudamos o tipo de fio, quais fatores influenciam na resistência? 4 Se a área da seção transversal do fio aumentar, o que acontece com a resistência elétrica? 4 EXPERIMENTO: ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES EM SÉRIE OBJETIVO: • Ilustrar o papel dos resistores num circuito elétrico em série. 4.1 PARTE TEÓRICA Os resistores são dispositivos que podem ser combinados em paralelo ou em série em um circuito. Porém, nesse experimento trabalharemos com associação em série. Nesse tipo de associação, temos que a corrente entre os terminais das resistências será a mesma, mas a tensão fornecida pela fonte é dividida entre as resistências, de forma que a tensão total é a soma das tensões em cada resistor. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 28 Um circuito em série típico é mostrado na Figura 17, que nesse caso possui quatro resistores e uma fonte de energia (pode possuir a quantidade que quiser de resistores): FIGURA 17 – RESISTORES EM SÉRIE FONTE: O autor A resistência total RT no circuito pode ser calculada por uma soma simples dos resistores individuais: 1 2 3 4TR R R R R= + + + Isso pode ser estendido para número N de resistores. Da Lei de Ohm, a corrente total no circuito pode ser calculada: T T T V I R = Lembrete: A corrente é idêntica em todo o circuito. Esse recurso será observado nesse experimento. NOTA 4.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • 1 fonte de alimentação contínua • 2 multímetros TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 29 • 1 placa de conexão para os resistores • fios de ligação PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1- Escolha dois resistores R1 e R2 e use o multímetro para medir seus valores. Registre seus resultados no quadro a seguir: Resistência Nominal Ω Resistência Medida Ω Diferença % R1 = R1 = R2 = R2 = Rtot = Rtot = QUADRO 11 – VALORES DAS RESISTÊNCIAS NOMINAIS E MEDIDAS FIGURA 18 – MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA EM SÉRIE FONTE: O autor FONTE: O autor 2- Conecte os resistores em série na sua placa de montagem e meça a resistência total RT com o multímetro na escala de resistência (ainda não conecte a fonte de alimentação CC). 3- Conecte a fonte de alimentação CC e ajuste a saída para cerca de 3V. 4- Coloque o multímetro na escala de tensão e verifique na saída da fonte se está realmente saindo 3V. Caso contrário, ajuste a fonte para que apareça no multímetro a voltagem desejada. É extremamente importante que essa tensão permaneça inalterada no valor registrado para todo o teste em série. 5- Monte o seguinte circuito: UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 30 FIGURA 19 – CIRCUITO EM SÉRIE DO EXPERIMENTO FIGURA 20 – MEDIÇÃO DAS VOLTAGENS (TENSÕES) QUADRO 12 – VOLTAGEM FIGURA 21 – MEDIÇÃO DA CORRENTE FONTE: O autor FONTE: O autor FONTE: O autor FONTE: O autor 6- Meça a tensão em cada resistor e registre no Quadro 12. Voltagem (V) V1 = V2 = 7- Desligue a fonte e coloque o multímetro em série com os resistores conforme a Figura 21 para ler a corrente que atravessa os resistores. OBS.: Não se esqueça de colocá-lo na escala de corrente. TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 31 Corrente (mA) I = QUADRO 13 – CORRENTE FONTE: O autor 4.3 QUESTIONÁRIO 1 O que são resistores? 2 Como encontrar a resistência equivalente numa associação em série? 3 Por que a corrente numa associação em série de resistores é única? 4 O que acontece com a tensão numa associação em séria de resistores? 5 EXPERIMENTO: ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE RESISTORES OBJETIVOS: • analisar o comportamento de um circuito em paralelo; • encontrar a resistência equivalente. 5.1 PARTE TEÓRICA Nesse experimento, vamos trabalhar com outra forma de organizar os resistores em um circuito. Nessa parte, vamos juntá-los como na Figura 22 que segue, em paralelo: FIGURA 22 – RESISTORES EM PARALELO FONTE: O autor Em série, eles foram conectados um após o outro, mas em paralelo, como o nome sugere, eles estão "lado a lado" no circuito. Quando os resistores estão em paralelo, a corrente que flui da fonte chegará a uma conexão que chamamos de nó, quando se tem uma "escolha" de qual caminho seguir. Portanto, os resistores receberão, em geral, diferentes quantidades de corrente, da mesma forma que a ramificação da água em dois tubos diferentes fluirá mais através do tubo maior (menor resistência) do que através do tubo mais estreito (maior resistência). Com isso, cada resistor experimenta a mesma diferença de potencial (voltagem). UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 32 Para encontrarmos a resistência equivalente de resistores em paralelo à equação é um pouco mais complicado do que para resistores em série. Em vez das resistências serem adicionadas diretamente, calculamos a resistência equivalente da seguinte maneira para vários resistores em paralelo: 1 2 1 1 1 1 eq nR R R R = + +… 5.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Resistores • Multímetros • Fios de conexão • Fonte de tensão PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Nessa parte do experimento, você testará experimentalmente o comportamento de resistores em paralelo. 1- Escolha dois resistores. Meça a resistência de cada resistor individualmente usando o ohmímetro (isto é, o multímetro) e calcule a resistência de cada resistor, usando os códigos de cores do resistor. Registre os valores no Quadro 14. Resistência Nominal Ω Resistência Medida Ω Diferença % R1 = R1 = R2 = R2 = QUADRO 14 – RESISTÊNCIA NOMINAL E MEDIDA FIGURA 23 – RESISTORES EM PARALELO JUNTO À FONTE DE TENSÃO FONTE: O autor FONTE: O autor 2- Agora conecte os resistores em paralelo, como mostrado na Figura 23, e conecte-os à fonte de alimentação ajustada em 3 V. TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 33 3- Registre a tensão em cada resistor, usando o multímetro. Registre os valores medidos no Quadro 15. FIGURA 24 – MEDIÇÃO DA TENSÃO EM CADA RESISTOR FONTE: O autor QUADRO 15 – VOLTAGEM FONTE: O autor Voltagem (V) V1 = V2 = 4- Calcule a resistência equivalente (Req) do circuito, com base em seus valores medidos de R1 e R2 e anote no Quadro 16. Resistência Equivalente calculada (Ω) Resistência Equivalente Medida (Ω) Diferença % Rtot = Rtot = QUADRO 16 – RESISTÊNCIA EQUIVALENTE MEDIDA E CALCULADA FONTE: O autor 5- Meça a resistência equivalente do circuito usando o ohmímetro (multímetro na escala de resistência). Essa é a resistência entre os pontos P e Q na figura a seguir. Registre o valor no Quadro 17. FIGURA 25 – MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA EQUIVALENTE FONTE: O autor UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 34 Corrente calculada (A) Corrente Medida (Ω) Diferença % fonte calculado calculado V i R = = . fonte medida eq medida V i R = = QUADRO 17 – VALORES DE CORRENTE MEDIDA E CALCULADA FONTE: O autor 6- Use a lei de Ohm, com seu valor medido e calculado de Req, para calcular a corrente total no o circuito. * Essa corrente imedida será obtida com os dados de voltage e resistência equivalente medida. 5.3 QUESTIONÁRIO 1 Os valores medidos de R1 e R2 são iguais aos valores calculados usando os códigos de cores? Quanto eles diferem (calcular o percentual de erro)? Isso está dentro da tolerância especificada? 2 O seu valor medido de Req é semelhante ao seu valor calculado? Explique. 3 As tensões V1 e V2 são iguais entre si? Explique. 4 As correntes imedida e icalculado são iguais entre si? Explique. 6 EXPERIMENTO: CIRCUITOS COM LÂMPADAS OBJETIVO: • Estudar o comportamento das lâmpadas em série e paralelo. 6.1 PARTE TEÓRICA Esse experimento permite que você teste sua compreensão das propriedades do fluxo de corrente elétrica nas lâmpadas. As lâmpadas são razoavelmente baratas e não são facilmente destruídas por conexões. Além disso, as tensões usadas são tão baixas que não há perigo de choque elétrico. Isso permite que você experimente sem preocupação qualquer combinação que desejar. O brilho de uma lâmpada é proporcional à potência fornecida a ela, ou seja, o produto da resistência e oquadrado da corrente que passa por ela e tem brilho total quando a potência é máxima. As lâmpadas variam um pouco em construção e resistência à temperatura ambiente e sua resistência aumenta à medida que brilham mais brilhantemente. TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 35 Tenha cuidado na montagem adequada das lâmpadas para que não as queime com a tensão aplicada. 6.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados: • Lâmpadas E10 e soquetes • Multímetros • Fios de conexão • Fonte de tensão PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL LÂMPADAS EM SÉRIE 1- Monte três lâmpadas em série, como é mostra a Figura 26. FIGURA 26 – LÂMPADAS EM SÉRIE FIGURA 27 – LÂMPADAS EM SÉRIE LIGADAS À FONTE E INTERRUPTOR FONTE: O autor FONTE: O autor 2- Conecte o circuito num interruptor em série com as lâmpadas e depois conecte a bateria. OBS.: Para a bateria você pode utilizar pilhas em série unindo o polo positivo de uma com o polo negativo da outra, prendendo-as com uma fita isolante ao redor. UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 36 3- Feche o interruptor e verifique o que acontece com as lâmpadas. FIGURA 28 – LÂMPADAS EM SÉRIE EM UM CIRCUITO FECHADO FONTE: O autor FONTE: O autor FONTE: O autor 4- Retire uma lâmpada de cada vez do circuito e verifique o que acontece. OBS.: Retire uma, coloque de volta, depois retire outra e, assim, sucessivamente. 5- Desligue o interruptor e conecte um potenciômetro em série com as lâmpadas. 6- Coloque o potenciômetro na resistência mínima e reconecte o interruptor. 7- Gire, vagarosamente, o pino do potenciômetro e verifique o que acontece com o brilho das lâmpadas. LÂMPADAS EM PARALELO 8- Monte três lâmpadas em paralelo, conectadas à bateria ou fonte de tensão, como mostra a Figura 29. FIGURA 29 – LÂMPADAS EM PARALELO FIGURA 30 – LÂMPADAS EM PARALELO LIGADAS À FONTE DE TENSÃO E INTERRUPTOR 9- Conecte ao circuito um interruptor e depois conecte a bateria, conforme a Figura 30. TÓPICO 2 | ELETRODINÂMICA 37 10- Feche a interruptor e verifique o que acontece com as lâmpadas. 11- Com o interruptor ligado, retire uma lâmpada de cada vez do circuito e verifique o que acontece. OBS.: Retire uma, coloque de volta, depois retire outra e, assim, sucessivamente. 6.3 QUESTIONÁRIO 1 Referente a sua observação do brilho das lâmpadas, o que você pode concluir sobre a corrente através de cada lâmpada em cada montagem? 2 Como você obteria a potência consumida por cada lâmpada? 3 Qual é a função do interruptor? 4 O que acontece com as outras lâmpadas quando retiramos uma delas no circuito em paralelo? E no circuito em série? 5 O que você observou no brilho das lâmpadas em cada montagem? 38 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico, você aprendeu que: • A resistência de um resistor pode ser obtida mediante a leitura do código de cores que são impressas pelo fabricante em sua superfície. • A medição da resistência de um resistor pode ser obtida através de um multímetro na escala de resistência. • Vários resistores, dependendo da aplicação, podem ser montados em série e paralelo. • A medição da corrente e tensão em um resistor são obtidos por um multímetro, que na escala certa fornece os respectivos valores para cada grandeza. 39 1 Quando realizamos experimentos com resistores, um dos objetivos é testar a Lei de Ohm, estudar resistores em série e paralelos e aprender o uso correto de amperímetros e voltímetros. Ohm descobriu que a relação de tensão para corrente em um resistor metálico é constante, desde que a temperatura seja mantida constante. Essa relação é chamada de resistência. Para pequenas variações de temperatura, a resistência pode ser considerada essencialmente constante. A lei de Ohm é geralmente escrita em qual forma? a) ( ) V = R.i b) ( ) V = R2.i c) ( ) V = R.i2 d) ( ) V = R/i e) ( ) V = R + i 2 Para que um amperímetro meça a corrente que flui através de um resistor, ele deve ser conectado em série com o resistor, de modo que a mesma corrente flua através de ambos. Já um amperímetro ideal tem resistência zero, de modo que a corrente que flui em cada trecho de um circuito não é afetada pela sua presença. Com isso, um amperímetro real deve ter quais características? a) ( ) Tem uma resistência muito pequena em comparação com as outras resistências no circuito para que o efeito de sua presença no circuito possa ser negligenciada. b) ( ) Tem uma resistência muito grande em comparação com as outras resistências no circuito para que o efeito de sua presença no circuito possa ser negligenciada. c) ( ) Tem uma resistência muito pequena em comparação com as outras resistências no circuito para que o efeito de sua presença no circuito não possa ser negligenciada. d) ( ) Tem uma potência muito pequena em comparação com as outras potências no circuito para que o efeito de sua presença no circuito possa ser negligenciada. e) ( ) Tem uma resistência igual às outras resistências no circuito. 3 Quando uma bateria é conectada a um circuito que consiste de fios e outros elementos de circuito, como resistores, as tensões podem se desenvolver através desses elementos e as correntes podem fluir através deles. O que ocorre com a tensão nos resistores quando estão conectados em paralelo? a) ( ) Ela é diferente em todos. b) ( ) Ela é a mesma em alguns e diferente nos outros. c) ( ) Ela é nula em todos. d) ( ) Ela diminui com o tempo em todos. e) ( ) Ela é a mesma em todos. AUTOATIVIDADE 40 41 TÓPICO 3 ELETROMAGNETISMO UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Você provavelmente já brincou com ímãs, não é? Você sabe a partir da prática que um imã pode exercer uma força em certos tipos de materiais, mesmo se eles não estiverem em contato direto com o ímã. Você também pode saber que a agulha de uma bússola é realmente um imã que se alinha no campo magnético da Terra. Embora seja bastante fácil no nosso dia a dia observar o magnetismo em ação, sua origem é um pouco misteriosa. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que a corrente elétrica afeta uma bússola. Você pode agora estar se perguntando: Mas como isso pode acontecer? A corrente elétrica é o resultado de cargas elétricas em movimento, de modo que as cargas em movimento estão de alguma forma relacionadas ao magnetismo. Mas não precisamos conectar uma bateria a uma barra magnética para que ela funcione. Então, onde está a carga em movimento no ímã? Acontece que os elétrons estão se movendo ("orbitando") em torno de um núcleo e girando em seus eixos, bem como podem dar origem ao magnetismo. Em um ímã em barra, as interações entre as "órbitas" dos elétrons nos átomos vizinhos causam um alinhamento que forma um ímã maior (chamado de domínio). Alinhando esses muitos domínios faz com que certos metais se tornem o que chamamos de ímã. É claro que a corrente atravessando um fio também pode ser usada para criar um ímã. Neste tópico, você será desafiado a projetar e construir um eletroímã, um instrumento muito importante nos alto-falantes usados para empurrar e puxar um cone de tecido que, por sua vez, cria ondas sonoras no ar. Você também será desafiado a criar correntes elétricas usando os ímãs através de um processo chamado de indução eletromagnética. Vamos começar? Bom trabalho. 2 EXPERIMENTO: LINHAS DE CAMPO MAGNÉTICO OBJETIVO: • Mostrar as configurações das linhas de campo magnético. 42 UNIDADE 1 | O MUNDO DAS CARGAS ELÉTRICAS AO MAGNETISMO 2.1 PARTE TEÓRICA As limalhas de ferro são constituídas de pó de ferro e traçam as linhas de um campo magnético em três dimensões, tornando visível o padrão do campo magnético. Cada átomo em um pó de ferro é um ímã, com um polo norte e um polo sul. A maioria das peças de ferro não é magnética, porque os ímãs atômicos apontam em direções diferentes. Quando você aproxima um ímã de um pedaço de ferro, os ímãs de átomo de ferro se alinham com o campo magnético aplicado: os polos norte dos átomos de ferro apontam todos na mesma direção. Como os átomos de ferro se alinham,