Relatorio Polarização de dielétricos e linhas de campo elétrico

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO RIO DE JANEIRO -UERJ
IF- Instituto de Física Armando Dias Tavares
Departamento de Eletrônica Quântica
Laboratório de Eletricidade
Polarização de dielétricos e linhas de campo elétrico
1.Introdução
Assim como a Terra tem um campo gravitacional, uma carga Q também tem um campo que pode influenciar as cargas de prova q nele colocadas. E usando esta analogia, podemos encontrar:
Desta forma, assim como para a intensidade do campo gravitacional, a intensidade do campo elétrico (E) é definido como o quociente entre as forças de interação das cargas geradora do campo (Q) e de prova (q) e a própria carga de prova (q), ou seja:
Chama-se Campo Elétrico o campo estabelecido em todos os pontos do espaço sob a influência de uma carga geradora de intensidade Q, de forma que qualquer carga de prova de intensidade q fica sujeita a uma força de interação (atração ou repulsão) exercida por Q.
Já uma carga de prova, para os fins que nos interessam, é definida como um corpo puntual de carga elétrica conhecida, utilizado para detectar a existência de um campo elétrico, também possibilitando o cálculo de sua intensidade.
 
Vetor Campo Elétrico
Voltando à analogia com o campo gravitacional da Terra, o campo elétrico é definido como um vetor com mesma direção do vetor da força de interação entre a carga geradora Q e a carga de prova q e com mesmo sentido se q>0 e sentido oposto se q<0. Ou seja:
A unidade adotada pelo SI para o campo elétrico é o N/C (Newton por coulomb).
Interpretando esta unidade podemos concluir que o campo elétrico descreve o valor da força elétrica que atua por unidade de carga, para as cargas colocadas no seu espaço de atuação.
 
Quando a carga de prova tem sinal negativo (q<0), os vetores força e campo elétrico têm mesma direção, mas sentidos opostos, e quando a carga de prova tem sinal positivo (q>0), ambos os vetores têm mesma direção e sentido
Já quando a carga geradora do campo tem sinal positivo (Q>0), o vetor campo elétrico tem sentido de afastamento das cargas e quando tem sinal negativo (Q<0), tem sentido de aproximação, sendo que isto não varia com a mudança do sinal das cargas de provas.
Quando uma única partícula é responsável por gerar um campo elétrico, este é gerado em um espaço que a circunda, embora não esteja presente no ponto onde a partícula é encontrada.
Campo elétrico gerado por mais do que uma partícula eletrizada
Quando duas ou mais cargas estão próximas o suficiente para que os campos gerados por cada uma se interfiram, é possível determinar um campo elétrico resultante em um ponto desta região.
Para isto, analisa-se isoladamente a influência de cada um dos campos gerados sobre um determinado ponto.
Por exemplo, imaginemos duas cargas postas arbitrariamente em um ponto A e outro B, com cargas  e , respectivamente. Imaginemos também um ponto P sob a influência dos campos gerados pelas duas cargas simultaneamente.
O vetor do campo elétrico resultante será dado pela soma dos vetores  e  no ponto P. Como ilustram os exemplos a seguir:
Como as duas cargas geradoras do campo têm sinal positivo, cada uma delas gera um campo divergente (de afastamento), logo o vetor resultante terá módulo igual à subtração entre os valores dos vetores e direção e sentido do maior valor absoluto.
Assim como no exemplo anterior, ambos os campos elétricos gerados são divergentes, mas como existe um ângulo formado entre eles, esta soma vetorial é calculada através de regra do paralelogramo, ou seja, traçando-se o vetor soma dos dois vetores, tendo assim o módulo direção e sentido do vetor campo elétrico resultante.
Como ambas as cargas que geram o campo tem sinais negativos, cada componente do vetor campo resultante é convergente, ou seja, tem sentido de aproximação. O módulo, a direção e o sentido deste vetor são calculados pela regra do paralelogramo, assim como ilustra a figura.
Neste exemplo, as cargas que geram o campo resultante têm sinais diferentes, então um dos vetores converge em relação à sua carga geradora () e outro diverge ().
Então podemos generalizar esta soma vetorial para qualquer número finito de partículas, de modo que:
 
Linhas de força
Estas linhas são a representação geométrica convencionada para indicar a presença de campos elétricos, sendo representadas por linhas  que tangenciam os vetores campo elétrico resultante em cada ponto, logo, jamais se cruzam. Por convenção, as linhas de força têm a mesma orientação do vetor campo elétrico, de modo que para campos gerados por cargas positivas as linhas de força são divergentes (sentido de afastamento)  e campos gerados por cargas elétricas negativas são representados por linhas de força convergentes (sentido de aproximação).
Quando se trabalha com cargas geradoras sem dimensões, as linhas de força são representadas radialmente, de modo que:
2.Objetivo
 Verificar a diferença entre campos elétricos criados por separação de cargas e polarização, observando o comportamento no condutor e no dielétrico. Estudar e observar a formação e as características das linhas de força criadas por configurações de cargas conhecidas.
3.Material utilizado:
	Material
	Quantidade
	Material
	Material
	Eletroscópio
	1
	Cabos elétricos
	2
	Placa isolante
	1
	Retroprojetor
	1
	Bastão isolante
	1
	Fonte de corrente contínua
	1
	Anteparo de retroprojetor
	1
	Disco metálico para o bastão
	1
	Mini cubas
	2
	Óleo e farinha
	granel
	Bastão misturador
	1
	Eletrodos de diversas formas
	vários
	Flanela, papel ou pêlo de animal
	1
	Bastão isolante com ponta metálica
	1
4.Procedimento Experimental :
 
4.1 – 1° Parte
Carregou o bastão de vidro;
Carregou um dos eletroscópicos. Colocou o dedo sobre o mesmo e então, retirou o dedo e depois afastou o bastão;
Descarregou o bastão de acrílico;
Conectou a placa circular do outro eletroscópico À ponta do bastão de acrílico e aproximou e afastou repetidamente esta placa, da placa do eletroscópio carregado;
Segurando uma placa isolante, aproximou e afastou, repetidamente, da placa do eletroscópio carregado.
Guardou o material na gaveta.
Verificou-se durante a prática que ao encostar o dedo sobre o eleroscópico, o mesmo funcionará como um fio terra, fazendo com que cargas negativas fluam da terra para o sistema, equilibrando as cargas positivas.Ao aproximarmos o bastão carregado positivamente, as cargas negativas são atraídas para cima e a parte inferior fica carregada com cargas positivas. Posto isso, sabe-se então que o eletroscópio fica carregado negativamente, fazendo com a lâmina se afaste da haste do eletroscópio, por possuírem a mesma carga.
A deflexão diminui quando o eletrodo auxiliar é aproximado, devido à redistribuição de cargas elétricas que o eletrodo causou. Isto ocorreu porque ao aproximarmos o eletrodo auxiliar, de dimensões comparáveis ao eletrodo do eletroscópio, aquele produz um campo elétrico que deforma o campo elétrico do eletrodo do eletroscópio (campo primitivo) havendo assim uma redistribuição das cargas, o que leva a uma diminuição da deflexão. 
Podemos observar que o efeito causado pela máquina no eletrodo circular foi o mesmo causado no procedimento anterior, onde também houve uma diminuição da deflexão da agulha do eletroscópio também.
4.2 – 2° Parte
Esta parte da experiência foi demonstrativa. Registrou as observações com detalhes nos esquemas .
Ao se colocar o óleo e a farinha sob alta tensão, fará com que as moléculas de farinha tendam a se organizar de acordo o campo. As cargas contidas nas moléculas se organizarão, ficando um pólo positivo e outro negativo, se estruturando sobre o óleo de acordo a geometria do campo elétrico.
Figura 1 – Carga pontual
	As partículas da farinha que tocam a carga pontual absorvem carga. Por simetria, as linhas são radiais. O campo elétrico não é constante e diminui com o aumento da distância à esfera. Quanto maior à distância à esfera, mais separadas estãoas linhas de força. O campo elétrico é o mesmo para todos os pontos que estão na mesma distância do centro da esfera.
Figura 2 – Dipolo elétrico
Ao adicionar uma carga com mesma intensidade só que com sinal oposto, observa-se que entre as cargas existem linhas de forças mais grossas devido à força ser maior.
Figura 3 – Cargas pontuais de mesmo sinal
Ao adicionar uma carga com mesma intensidade e com mesmo sinal, observa-se que entre as cargas existem linhas de forças que ficam perpendiculares. Vale lembrar que as linhas de força não se cruzam.
Figura 4 – Carga pontual no centro do anel com carga oposta
	Nota-se que há linhas de força dentro e fora do anel. E fora do anel também tem campo elétrico.
Figura 5 – Anel carregado
Fora do anel tem linhas de força. Já dentro do anel quase não há campo elétrico, comprovando a Lei de Gauss e devido às cargas se repulsarem, produzindo um campo para fora. 
Figura 6 – Anéis concêntricos com cargas opostas
De acordo com a Lei de Gauss, o campo elétrico no interior do círculo menor é nulo. Já externamente ao círculo maior o campo também é nulo porque os campos produzidos pelos círculos maior e menor se anulam.
Figura 7 – Condutor retilíneo carregado
	Quando a carga teste é positiva, o campo elétrico aponta para fora (carga positiva) e para dentro (carga negativa). Existem linhas de forças.
Figura 8 – Fio reto com carga pontual e polaridades opostas
Quanto mais próximo da placa, mais intenso é o campo.
Figura 9 – Fios paralelos com cargas opostas
As linhas de força são retas e paralelas, porém há variação nas bordas. O campo elétrico é neutro fora das placas.
Figura 10 – Corpo pontudo
Observa-se que quanto menor o raio de curvatura, maior a densidade de cargas. O campo elétrico não é constante, mas diminui com o aumento da distância aos pontos carregados. Quanto maior a distância a esses pontos menor o campo elétrico, por conseguinte mais separadas são as linhas de força. Vale lembrar que linhas de forças perpendiculares (plano) e linhas de força radiais (esfera).
5.Conclusão
A experiência realizada foi bem sucedida. Na primeira parte, constata-se a deformação do campo elétrico na presença de carga de tamanho comparável ao da carga em questão. Já na segunda parte, concluí-se que o comportamento das linhas de força para cada conjunto de eletrodos depende de diferentes fatores, tais como formato, sinal de cada carga e distância entre os eletrodos. Observo-se também a Lei de Gauss em um condutor em equilíbrio.
Questionário
1) Por que, já que a quantidade de cargas sobre o eletroscópio não se altera com a aproximação de uma placa, a indicação do eletroscópio varia quando isso acontece?
Porque o processo utilizado é de indução, não há troca de cargas e existe uma interação entre cargas opostas quando o corpo eletrizado se aproxima do outro que está com as cargas.
2) Baseado na sua resposta anterior, além do tradicional lim F/q (quando q tende à zero) que outras considerações de caráter geométrico devem ser feitas na definição do campo elétrico?
Quanto maior a área e quanto menor a distância, mais intenso é o campo elétrico. A geometria do objeto irá influenciar diretamente na intensidade do campo elétrico.
3) Qual a diferença relevante entre as situações das cargas nas placas da 1° parte da experiência?
Quando se segura pela parte isolante, a face inferior da placa fica positiva e a face superior fica negativa. Quando se segura pela parte do metal a carga negativa da face superior será retirada pela terra, o que faz com que aumente a intensidade do efeito observado. Ou seja, com a placa do eletroscópio a rearruamação de cargas no processo de indução foi bem mais intensa do que a rearrumação da placa acrílica.
4) Que relação guardam as intensidades do campo elétrico numa dada região, antes e depois de nela inserirmos um dielétrico? Explique.
Quando se segura pela parte condutora o negativo da haste se descarrega aumentando a positividade no bastão, o que faz com que a agulha se feche com mais intensidade.
Quando a carteirinha é colocada entre as duas placas vai haver a polarização, ou seja, transmissão de informação, mas não há transferência de cargas.
Na polarização há uma deformação da molécula com movimento relativo com o centro de massa. Não há eletrização; elas só se movimentam, mas não se carregam. O isolante nesse caso é um dielétrico.
Quando se introduziu o dielétrico, o campo efetivo diminuiu e a capacitância aumentou, o que pode ser fisicamente demonstrado pelo fato de que houve maior transferência de elétrons de baixo para cima.
Assim, onde houver maior densidade de dielétrico marcando as linhas de campo, a intensidade do campo será maior.
5) Na segunda parte da experiência, os grãos de farinha conseguem ficar em equilíbrio, apesar do campo elétrico externo causado pelas cargas sobre os eletrodos. Como isto é possível? Da sua explicação é possível justificar a maior ou menor concentração de grãos?
Porque ocorre a polarização dos grãos de farinha. A parte negativa de um grão se une à parte positiva de outro e assim sucessivamente. Com isso, os grãos de farinha atuam como dielétricos e se arrumam até que marquem as linhas de campo e atinjam o equilíbrio. Quanto maior a concentração, maior a intensidade do campo elétrico.
6) Seria possível realizar a experiência com cargas pontuais ao invés dos dipolos em que os grãos de farinha se tornam, por ação do campo elétrico criado pelas cargas sobre os eletrodos, justifique sua resposta? Como funcionam os grãos?
Sim. Ocorre a polarização com menor intensidade já que não há outro potencial (contrário àquele). Com isso, o campo elétrico é menos intenso. E como um eletrodo é somente uma fonte de campo elétrico, então os grãos se alinharão radialmente.
Bibliografia
Site:
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/campo3.php