Relatório Física III Nota I, Cargas Elétricas (Fernanda, Gilson, Alex)

Prévia do material em texto

Curso: Engenharia de Petróleo/ Produção e Automação
Turma: FN
Período: 4º
Disciplina: Física III
Prática Nº: 01
Professor: Alex Bosco 
Nomes: Raphael de Araújo Moerbeck Mat: 20141000988
 Francisco Rodrigues Romão 201410001004
 Mateus Kozlowaski Pereira XXXXXXX
 Eduardo XXXXXXX
 Hudson XXXXXXX
Data da aula: 26/08/2015
Objetivo
A prática teve como objetivo fornecer uma visualização para alguns efeitos e conceitos estudados em sala de aula sobre cargas e indução elétrica. Para isso, utilizou-se um gerador de Van Der Graaf, além de outros módulos experimentais, tais como eletroscópio de folhas e torniquete elétrico, realizando-se, no total, três experimentos e então buscando explicação para os resultados obtidos. Pode-se perceber o efeito triboelétrico na geração de cargas na superfície do domo do gerador de Van Der Graaf; a ação do campo elétrico em folhas de alumínio, que assumiram a direção do campo elétrico criado no domo do gerador, resultando em atração ou repulsão; o funcionamento de um eletroscópio de folhas, que também indica a direção do campo elétrico gerado; e o efeito das pontas, fazendo-se um torniquete elétrico girar sobre o domo do gerador. Assim, concluiu-se que os objetivos foram atingidos com sucesso, obtendo-se explicações aceitáveis para os fenômenos visualizados na prática.
Introdução
Antes de começarmos a falar sobre o experimento dessa aula, a bancada procurou um pouco mais a fundo sobre o assunto e queria trazer alguns assuntos já abordados na sala de aula para um melhor entendimento.
Cargas Elétricas
Em tempo seco é possível produzir uma fagulha simplesmente caminhando em certos tipos de tapetes e depois aproximando a mão de uma maçaneta, torneira ou mesmo um amigo, como vimos no laboratório. Também podem surgir centelhas quando você despe um suéter, ou remove as roupas de uma secadora. As centelhas e a “atração eletrostática” são em geral consideradas uma mera curiosidade.
Entretanto, se você produz uma centelha elétrica ao manipular um microcircuito de um computador, o componente pode ser inutilizado.
Esses exemplos revelam que existem cargas elétricas em nosso corpo, nos suéteres, nos tapetes, nas maçanetas e nas torneiras. Na verdade, todos os corpos contém muitas cargas elétricas. A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais de que é feita a matéria, em outras palavras, é uma propriedade associada à própria existência dessas partículas. A grande quantidade de cargas que existem, podem ser observadas em dois tipos, cargas positivas e cargas negativas, quando existe uma igualdade, ou equilíbrio, dizemos que e eletricamente neutro, ou seja, é uma carga neutra. Quando as quantidades dos dois tipos de cargas contidas em um corpo são diferentes, a carga total é diferente de zero e dizemos que o objeto está eletricamente carregado. A diferença entre as quantidades dos dois tipos de cargas é sempre muito menor do que as quantidades de cargas positivas e de cargas negativas contidas no objeto. Cargas eléctricas num campo eléctrico estão sujeitas a uma força eléctrica. A fórmula do campo eléctrico é dada pela relação entre a força eléctrica F e a carga de prova q. 
O conceito de Campo Elétrico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb:
Onde K é a constante de Coulomb. No referencial da carga q1 temos:
No vácuo e no SI, K0 =
Ou seja, para uma carga puntiforme, a expressão para o campo elétrico obtém a forma:
Também é possível calcular o campo elétrico a partir da diferença de potencial:
Características do Campo Elétrico
 Define-se campo elétrico como uma alteração colocado no espaço pela presença de um corpo com carga elétrica, de modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará sua presença. Através de curvas imaginárias, conhecidas comumente pelo nome de linhas de campo, visualiza-se a direção da força gerada pelo corpo carregado. As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo de todo o espaço afetado. Se a carga de origem do campo for positiva, uma carga negativa introduzida nele se moverá, espontaneamente, pela aparição de uma atração eletrostática. Pode-se imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos. É usual medir essa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à definição de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a quantidade da carga geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade de potencial elétrico é o volt, equivalente a um Coulomb por metro. A diferença de potenciais elétricos entre pontos situados a diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão orientadas em direções radiais dessa mesma fonte.
A intensidade do campo elétrico se define como a força que esse campo exerce sobre uma carga contida nele. Dessa forma, se a carga de origem for positiva, as linhas de força vão repelir a carga de prova, e ocorrerá o contrário se a carga de origem for negativa.
Algumas características do Campo Elétrico são: Tem natureza vetorial; Tem em um dado ponto do espaço uma direção da linha que une a carga ao ponto, e sentido divergente (para cargas positivas) e convergente (para cargas negativas); Tem módulo proporcional ao valor da carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância do ponto à carga (para cargas pontuais); É medido, no SI, em Newton por Coulomb.
Processos de Eletrização 
Existem três tipos de Eletrização de corpos: 
Eletrização por Atrito: Tem-se a eletrização por atrito quando atrita-se dois corpos. Ex.: pegando-se um canudinho de refrigerante e atritando-o com um pedaço de papel (pode ser higiênico); observa-se através de experimentos que ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas, porem de sinais contrários.
 Eletrização por atrito
Eletrização por Contato: Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, observa-se que ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal. Ex.: tendo-se um bastão carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se as esfera com este bastão verifica-se que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão.
Eletrização por contato
Eletrização por Indução: A indução ocorre quando se tem um corpo que está inicialmente eletrizado e é colocado próximo a um corpo neutro. Com isso, a configuração das cargas do corpo neutro se modifica de forma que as cargas de sinal contrário a do bastão tendem a se aproximar do mesmo. Porém, as de sinais contrários tendem a ficar o mais afastadas possível. Ou seja, na indução ocorre a separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo neutro ou corpo induzido.
Introdução ao Experimento
No laboratório, o mestre e professor Alex Bosco nos apresentou o gerador eletrostático do tipo Van de Graaff , do qual falaremos abaixo.
Robert Van de Graaff (1901-1967), físico Americano, foi o criador do instrumento. Ele construiu o primeiro destes geradores que levou seu nome em 1931, com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta (da ordem de 20 milhões de volts) para acelerar partículas carregadas que se chocavam contra blocos fixos. Os resultados das colisões nos informam das características dos núcleos do material que constituem o bloco.
Robert J. Van de Graaff
O gerador eletrostático tipo Van de Graff tem capacidade para 240kV (Sinzato, 2012). A esfera removível tem 20 cm de diâmetro e dispõe de conexões para aterramento. A sustentação é construída em acrílico e possui articulação na ligação com base e mede 45 cm de altura. A correia de borracha tem 6 cm de largura e se movimenta sobre 4 polias, que acionadas por um motor de 1/8 de HP funciona em 110 ou 220V. Sua função é transportar as cargas elétricas que serão acumuladas na esferametálica. Todo o conjunto está fixado em uma base metálica (adaptado de Sinzato, 2012).
Partes do gerador
Do ponto de vista moderno, a matéria, no seu estado neutro possui cargas elétricas positivas (prótons) iguais às cargas elétricas negativas (elétrons). Se dois corpos, como o bastão de vidro e a seda, são esfregados um no outro, uma pequena quantidade de carga será transferida entre ele, destruindo a neutralidade elétrica inicial. Esse processo chama-se eletrização (Halliday-Resnick, 1978). Este é o princípio do funcionamento do gerador de Van de Graaff. 
Ao ligarmos o equipamento a correia de borracha é movimentada por um pequeno motor. Os dois pentes metálicos, respondem pela troca de carga entre a terra e a correia, na parte de baixo e entre a correia e a esfera metálica, na parte de cima. Haverá transferência de cargas negativas do pente inferior aterrado. Esta transferência se dá através da camada de ar que fica entre o pente e a correia. Neste caso o pedaço da correia que está se atritando fica com excesso de cargas positivas. Como na figura abaixo: 
Legenda
	1. Esfera de metal
	4. Lado positivo da correia
	7.Eletrodo inferior
	2. Eletrodo conectado a esfera com uma escova na ponta para assegurar a ligação entre a esfera e a correia
	5.Lado negativo da correia
	8. Bastão Terminado em esfera usado
	3. Rolete superior
	6. Rolete Inferior
	9. Faísca Produzia pela Diferença do potencial
Este pedaço de correia "caminha" até o topo do aparelho, onde se encontra o pente superior, que está ligado internamente à esfera metálica. Neste ponto há transferência de cargas negativas da esfera para a correia, através do pente (poder das pontas), de modo a neutralizar as cargas positivas que chegam pela correia isolante. As - 4 - cargas negativas, que passam da esfera para a correia, deixam atrás de si, na esfera, um excesso de cargas positivas e, assim, o terminal (esfera metálica) começa a acumular cargas positivas que dão origem a diferenças de potencial. Assim, um feixe de partículas energéticas pode ser produzido, permitindo-se que partículas com cargas, tais como elétrons ou prótons, caiam através dessa diferença de potencial. Na medicina tais feixes são largamente usados no tratamento de certos tipos de câncer. Na física, feixes de partículas aceleradas podem ser usados numa variedade de experiências de fragmentação de átomos.
Experimentos 
Experimento I: Distribuição de Cargas
Relação de Materiais:
Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera (Van Graaff); fiapos de algodão e eletroscópio de folha. 
Procedimentos
Conectamos na parte superior da esfera o eletroscópio de folha e ligamos o gerador eletrostático, regulando para uma velocidade média à alta a rotação do motor. Observamos o comportamento das lâminas de alumínio. 
Pegamos com as mãos fiapos de algodão e aproximamos da esfera do gerador, observando o que ocorreu.
Conclusão do Experimento I
As lâminas ficaram com cargas iguais e por isso houve o efeito de repulsão, ou seja, se afastaram. Já os fiapos de algodão ficaram no sentido vai e vem, devido a atração de cargas opostas, neutra na mão e positiva na cúpula.
Experimento II: O Poder das pontas
Relação de Materiais: 
Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera (Van Graaff); lâmpada fluorescente e uma base isolada de madeira.
Procedimentos
Colocamos o torniquete no topo da esfera do gerador e ligamos o gerador eletrostático regulando a velocidade de rotação entre média e alta. Após as observações, desligamos o gerador e retiramos o torniquete. 
Ligamos novamente o gerador e aproximamos uma lâmpada fluorescente da esfera, segurando-a com uma das mãos. Foi observado que a lâmpada acendeu.
Por fim, uma voluntária ficou de pé sobre uma base isolada de madeira e colocou as mãos na esfera do gerador. Ligamos o gerador e observamos o que aconteceu com o cabelo.
Conclusão do Experimento II:
Quando colocado o torniquete em cima da cúpula e feita a ligação do gerador, houve uma grande concentração nas extremidades do torniquete de prótons explicada pelo poder das pontas, onde um corpo tende a se descarregar pelas zonas mais pontiagudas. 
Na proximidade dos corpos existem sempre no ar átomos e moléculas ionizadas. Havendo grande concentração de cargas elétricas numa ponta de um corpo, haverá atração para a ponta dos íons de sinal contrário às cargas na ponta e repulsão dos íons com o mesmo sinal.
Os elevados campos elétricos perto das pontas ionizam as partículas do ar, gerando o vento elétrico (YOUNG, 2003).
Observamos também que nosso corpo irá agir como condutor, a lâmpada como um resistor, a cúpula como um gerador de cargas positivas. Com a chave de liga e desliga, foi permitido criar um circuito, proporcionando a passagem ordenada de corrente elétrica, fazendo assim a lâmpada acender. 
No procedimento com os cabelos, foi observado que quando uma pessoa entra em contato com a cúpula ela perde a neutralidade e passa a ter apenas uma carga passando pelo corpo, que no caso é a positiva. Sabendo-se que cargas elétricas se concentram em partes mais pontiagudas e que cargas iguais se repelem, os fios do cabelo (os quais apresentam uma maior concentração de carga) tendem a se arrepiarem, a fim de se distanciarem do corpo por meio da repulsão.
Experimento III: Linhas de força em um campo elétrico
Relação de Materiais: 
Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera; Cuba de vidro e base acrílica com 2 isolantes de nylon com bornes; Eletrodos; 2 Cabos de ligação banana/banana; Frasco com sementes de linhaça e óleo de rícino. 
Procedimentos: 
Foi colocado sobre o retroprojetor a base acrílica e a cuba de vidro, e fixamos dois eletrodos paralelos sobre o retroprojetor. Conectamos os cabos de ligação nos isolantes de nylon com bornes e no gerador eletrostático (parte superior da esfera e conexão de fio terra inferior, próximo às polias inferiores). Colocamos uma camada de 3 mm de óleo de rícino na cuba de vidro, de modo a cobrir os eletrodos e espalhamos sobre o óleo um pouco de semente de grama. A parte do eletrodo que ficou submerso no óleo foi isolado com esmalte. Após ligarmos o retroprojetor para facilitar a visualização das partículas espalhadas sobre o óleo de rícino, ligamos o gerador eletrostático e regulamos para uma velocidade média a alta de rotação. 
Observamos e descrevemos o aspecto que apresenta o campo elétrico que apareceu entre os dois eletrodos, cuja configuração se materializou pela distribuição adquirida pelas sementes de grama no óleo.
Conclusão do Experimento III:
Concluímos que houve uma formação de linhas de força devido à diferença de potencial, perpendiculares aos eletrodos, paralelas entre si e nas extremidades formando uma radial (do positivo para o negativo). 
Conclusão
Pode-se concluir que os objetivos foram atingidos com satisfação, verificando-se efeitos elétricos diversos nos módulos experimentais, e chegando-se a explicações plausíveis para tais efeitos.
Verificou-se conceitos de eletrificação de um corpo, polaridades, campo elétrico, linhas de campo, blindagem elétrica e poder das pontas durante a prática, fornecendo uma visão mais didática dos conteúdos aprendidos em sala de aula.
Referência Bibliográfica 
Holiday, Resnick, Krane – Fundamentos da Física – Vol 3- 8 edição 
Apostila fornecida pelo professor Alex Bosco. (“Distribuição de cargas e elétricas nos corpos; poder das pontas e linhas de força”)