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1 29 - O Efeito de um Campo Elétrico no Movimento de Partículas Carregadas Resumo. Estudar o efeito do campo elétrico no movimento de partículas carregadas. Palavras chave: campo elétrico, partículas, elétrons. Introdução Assim que os cientistas começaram a investigar as propriedades dos átomos, eles descobriram que era possível extrair partículas carregadas negativamente e as chamaram de elétrons. Para entender a natureza dessas partículas, os cientistas precisavam saber quanta carga elas carregavam e qual era seu peso. J. J. Thomson foi um professor de física no renomado Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge. Em 1897, Thomson demonstrou que era possível determinar a razão entre a carga e a massa dos elétrons (q/mₑ) ao medir quanto um feixe de elétrons desvia em um campo elétrico ou magnético. A partir dessa razão, é possível calcular a carga e a massa individual de um elétron. Outra partícula expelida durante o decaimento nuclear é a partícula alfa. Uma partícula alfa é um núcleo de hélio, ou seja, um átomo de hélio sem seus elétrons. Como você verá, um feixe de partículas alfa também pode ser desviado em um campo elétrico. Procedimento O experimento está montado em cima da mesa, onde temos um canhão de elétrons (Electron Gun) que está no lado esquerdo da mesa e no lado direito da mesa temos uma tela de fósforo verde (Phosphor Screen) que irá detectar os elétrons (-). Perguntas Qual o comportamento do ponto luminoso na tela de fósforo verde à medida que a diferença de potencial entre as placas aumenta? Por quê? O ponto luminoso se move para a esquerda. O ponto iluminado (Indicador da movimentação de cargas (-q)) sofre um desvio devido a influência do aumento de potencial do campo elétrico. Aumente a corrente elétrica do canhão de elétrons para 1ª, clicando acima do dígito das centenas no controlador (o segundo visor da esquerda para a direita). O que acontece com o ponto luminoso na tela de fósforo verde? Por quê? O ponto luminoso se move para a direita. Aumentando a corrente elétrica os pontos iluminados ficam menos sensíveis ao efeitos do campo elétrico. O que acontece com o ponto luminoso quando você aumenta a energia cinética do feixe de elétrons? Por quê? 2 O ponto luminoso se move para a direita. Quanto maior for a energia cinética dos elétrons emitidos pelo canhão de elétrons, menos sensíveis eles serão aos efeitos do campo elétrico externo aplicado para tentar desviar sua trajetória. Devolva o canhão de elétrons arrastando para ao balcão do almoxarifado (Stockroom). Clique no almoxarifado para entrar e clique duas vezes no canhão de elétrons para devolvê-lo à prateleira. Clique duas vezes na fonte de partículas alfa (Alpha Source) para selecioná-la ou arraste-a para o balcão. Clique na seta verde Return to Lab para voltar à bancada. Arraste a fonte de partículas alfa para a mesa, colocando-a no mesmo lugar em que estava o canhão de elétrons. Clique (On/Off) para abrir a janela da fonte de partículas. Qual a posição do ponto luminoso na tela de fósforo? No centro da tela. Altere o campo elétrico de V (volts) para kV (quilovolts) clicando no botão acima da unidade (tem que aparecer uma mãozinha), observe que o movimento do ponto luminoso enquanto você aumenta a diferença de potencial de 0 kV para - 5,9 kV, é pequeno. Qual o lado que o ponto luminoso se deslocou? O ponto luminoso se deslocou levemente para a esquerda. Por que é necessária uma diferença de potencial maior para mover as partículas alfa em relação ao feixe de elétrons? Porque a energia das partículas alfa é muito maior do que a dos elétrons, pois elas são maiores tanto em massa quanto em carga. Qual o comportamento do feixe quando mudamos o sinal para positivo? Vemos que o feixe de partículas alfa se desloca para a direita. Do que é formada uma partícula alfa? Uma partícula alfa é o núcleo de um átomo de hélio, ou seja, tem 2 prótons. 30 - Capacitores Resumo. Entender o armazenamento de energia potencial elétrica observando a relação entre a fase de carga e descarga de um capacitor. Palavras chave: capacitores, carga elétrica, tensão. Introdução Capacitores são componentes que armazenam energia em um campo elétrico, acumulando desequilíbrio interno de carga elétrica. Eles são constituídos de duas placas condutoras separadas por um material dielétrico. A carga é armazenada nas placas condutoras. Porém, como cada placa armazena cargas iguais, a carga total do dispositivo é sempre nula. A propriedade de armazenar energia elétrica sob a forma de campo elétrico é denominada capacitância, e é medida em Farads (F). A capacitância pode ser calculada dividindo -se a quantidade de carga armazenada pela diferença de potencial entre as placas. Neste experimento, examinaremos os diferentes capacitores e a voltagem máxima em que eles operam. Procedimento O laboratório virtual vai abrir a bancada de circuitos elétricos (Circuits). 3 Medindo a tensão e o tempo, usando um cronômetro, anotando a elevação de tensão a cada 10s. Os dados são anotados até o capacitor chegar em 10 V. Tabela de Dados I Medida Tempo (s) Tensão (V) 1 0 0 2 10 1,11 3 20 2,05 4 30 3,00 5 40 3,99 6 50 4,95 7 60 5,90 8 70 6,83 9 80 7,80 10 90 8,68 11 100 9,60 12 110 10 Gráfico I 4 Perguntas Se precisarmos armazenar mais energia, temos que aumentar a capacitância. Por quê? Porque a quantidade de carga que será armazenada é limitada pela capacitância. Se precisarmos diminuir o tempo de carga de um capacitor quais os componentes que podemos alterar no circuito? Podemos alterar o s resistores. A função do resistor R é controlar o tempo de carga e descarga do capacitor. O tempo de carga depende diretamente do produto RC. O capacitor irá permitir a passagem de uma quantidade determinada de corrente, para que o capacitor possa se carregar. Logo, se for acrescentado um resistor em série no circuito, ele aumentará o tempo de carga e descarga, pois a corrente teria uma maior dificuldade para se encontrar ao capacitor. Medindo a tensão e o tempo, usando um cronômetro, anotando a descarga de tensão a cada 5s. Os dados são anotados até o capacitor chegar em 0 V. Tabela de Dados II Medida Tempo (s) Tensão (V) 1 0 10 2 5 6,622 3 10 4,329 4 15 2,769 5 20 1,787 6 25 1,168 7 30 0,704 8 35 0,446 9 40 0,276 10 45 0,164 11 50 0,105 12 55 0,068 13 60 0,041 14 65 0,025 15 70 0,015 16 75 0,009 17 80 0,006 18 85 0,003 19 90 0,002 20 95 0,000 Gráfico II 5 Porque nos aparelhos eletrônicos existe uma advertência para tomar cuidado ao abrir? Porque os capacitores podem estar carregados, onde mesmo desligado pode ocasionar acidentes como explosão do capacitor e choque elétrico. Conclusão Neste experimento, compreendeu-se a importância da constante de tempo na carga de um capacitor, em um circuito. Capacitores são componentes que armazenam energia em um campo elétrico, acumulando desequilíbrio interno de carga elétrica. Eles são constituídos de duas placas condutoras separadas por um material dielétrico. A carga é armazenada nas placas condutoras. Porém, como cada placa armazena cargas iguais, a carga total do dispositivo é sempre nula. Referências Bibliográficas brasilescola.uol.com.br/fisica/capacitores.htm https://www.mundodaeletrica.com.br/como-funcionam-os-capacitores/ http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/capacitores.phphttp://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/capacitores.htm 31 - Corrente Elétrica Resumo. Estudar o comportamento da corrente elétrica ao passar por dispositivos elétricos passivos (resistores). Palavras chave: corrente elétrica, resistores, circuito. Introdução A corrente elétrica designa o movimento ordenado de cargas elétricas (partículas eletrizadas chamadas de íons ou elétrons) dentro de um sistema condutor. Esse sistema apresenta uma diferença de potencial elétrico (ddp) ou tensão elétrica. Procedimento Neste experimento temos três circuitos montados no protoboard (matriz de contatos), um resistor simples, três resistores em série e um circuito misto. Inicialmente conecte a alimentação (gerador de função) ao circuito que se pretende estudar. Utilizando os instrumentos de medição, o osciloscópio e o multímetro, você irá medir a intensidade de corrente elétrica em diferentes pontos do circuito simples, e em seguida irá medir a corrente elétrica em diferentes pontos dos outros tipos de circuito. 6 Resistor Simples Com a alimentação selecionada para 20V, aperte o botão verde (On/Off), observando que o multímetro está no modo de amperímetro (I DC) para medir corrente ampères (A) e se observarmos está conectado ao ponto 23C, do lado positivo do resistor. A corrente vai circular pelo amperímetro e então pelo circuito. Se considerarmos o sentido eletrônico da corrente elétrica, os elétrons saem do polo negativo e vão para o polo positivo, portanto preencha a tabela abaixo com os valores medidos da corrente. Pegue as pontas de provas do amperímetro e mude para o outro lado do resistor, arrastando a ponteira vermelha para o ponto 20C. Preencha a tabela de dados abaixo. Tabela de Dados I Resistor Corrente de Entrada Corrente de Saída 100 0,200 0,200 Resistores em Série Mova o cabo amarelo do resistor simples (ponto 23A) ao conjunto de três resistores conectados no canto inferior da matriz de contatos (ponto 19F). Ele deve estar conectado ao lado positivo do gerador de funções e ao primeiro resistor da série. Mova o cabo verde (ponto 18A) para o último resistor da série (ponto 4F). Ele deve ainda estar conectado ao lado negativo do gerador de funções, retire as pontas de prova do amperímetro para poder mexer nos cabos. Vamos medir a corrente que entra e a corrente que sai em cada resistor e preencher a tabela abaixo. Tabela de Dados II Resistores em Série Corrente de Entrada Corrente de Saída 150 0,047 0,047 180 0,047 0,047 100 0,047 0,047 7 Observando a tabela de dados qual é a conclusão? Em um circuito com resistores ligados em série, a corrente que passa sob cada resistor é a mesma. Ela dependerá, naturalmente, da resistência total do circuito (no caso, a soma de três resistências em série) e da voltagem fornecida, mas, em todos os casos, a corrente “antes” ou “depois” de dado resistor é sempre a mesma para circuitos DC. Resistores em Paralelo Observando a matriz de contatos, mova o cabo amarelo para o ponto 8A da matriz de contatos e o cabo verde para o ponto 2A. Anote os dados da corrente elétrica que entra e a corrente elétrica que sai de cada resistor e preencha a tabela de dados abaixo. Tabela de Dados III Resistores em Paralelo (ohms) Corrente de Entrada Corrente de Saída 1 kohms 0,020 0,020 200 0,099 0,099 500 0,040 0,040 Perguntas Qual o comportamento da corrente elétrica em resistores num circuito em série? Na associação em série todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica. Os resistores são ligados um em seguida do outro, existindo apenas um caminho para a corrente elétrica. O que acontece com a diferença de potencial em cada resistor num circuito em paralelo? ] Eles estão sujeitos à mesma diferença de potencial (ddp), mas são percorridos por correntes elétricas diferentes, que são proporcionais ao valor de cada um. No circuito paralelo o que acontece com as correntes em cada resistor? Eles são percorridos por correntes elétricas diferentes, que são proporcionais ao valor de cada um. Como a carga não pode se acumular nem ser extraída, a corrente total deve ser igual à soma das correntes que passam nos resistores. Podemos considerar um circuito formado de resistores como um único resistor? Sim. Se tivermos apenas 1 resistor de resistência R submetido à mesma diferença de potencial V, a corrente “antes” e “depois” dele ainda será a mesma e com a mesma intensidade. 8 Na física, qual analogia podemos fazer do conceito de corrente elétrica com a hidráulica? No caso de o circuito estar ligado em paralelo, a analogia correta seria a de uma bomba ligada a vários canos em paralelo, dando a todos a mesma impulsão, ao mesmo tempo. Logicamente a corrente será uma em cada cano, e seus valores serão dados pela maior ou menor dificuldade em passar por aquele cano. Assim, o que é igual para cada cano é a força propulsora. No circuito em paralelo, a bomba é a bateria ou fonte, e os canos em paralelo são os resistores. Obviamente cada resistor terá sua própria corrente. Qual a diferença de corrente elétrica convencional e corrente real ou eletrônica? A corrente elétrica consiste no movimento ordenado de cargas elétricas, através de um condutor elétrico. A corrente elétrica é definida como corrente elétrica real quando o sentido do movimento parte do polo negativo para o ponto positivo do polo (sentido do movimento dos elétrons) e corrente elétrica convencional é quando o sentido do movimento parte do polo positivo para o polo negativo (consiste no movimento de cargas positivas). 32 - Circuitos em Série e em Paralelo Resumo. A associação de resistores é muito comum em vários sistemas, quando queremos alcançar um nível de resistência em que somente um resistor não é suficiente. Qualquer associação de resistores será representado pelo Resistor Equivalente, que representa a resistência total dos resistores associados. Palavras chave: resistor, resistência, alimentação. Introdução Em uma associação em paralelo de resistores, a tensão em todos os resistores é igual, e a soma das correntes que atravessam os resistores é igual à resistência do resistor equivalente (no que nos resistores em série, se somava as tensões (V), agora o que se soma é a intensidade (i)). A resistência equivalente de uma associação em paralelo sempre será menor que o resistor de menor resistência da associação. Procedimento Se observarmos a imagem acima a fonte de alimentação está ligada e fornecendo 12 V DC, e conectada ao protoboard (matriz de contatos). Neste experimento vamos montar nossos próprios circuitos. Clique no símbolo do resistor e arraste para a área do circuito. Se você quiser movimentar o resistor é só clicar no símbolo e quando aparece um ponto azul você pode movimenta-lo. Para fazer as conexões você clica na extremidade do resistor onde aparece um ponto azul podendo conectar a outros dispositivos. Do lado direito você tem um protoboard com os elementos do circuito. No esquema, coloque cinco resistores em série utilizando o símbolo do resistor no topo. Comece conectando o primeiro resistor à extremidade solta do gerador de funções. Em seguida, arraste outro resistor e coloque-o ao lado da extremidade solta do primeiro resistor. Faça isso até ter cinco resistores em série. Complete o circuito conectando o último resistor à fonte de alimentação. 9 Altere a resistência dos resistores para os valores encontrados na tabela abaixo. Assuma que o resistor R1 é o resistor conectado ao lado positivo da alimentação e o resistor R5 é o resistorconectado ao lado negativo. Tabela de Dados I Resistor Resistência (ohms 1 100 2 200 3 200 4 2000 5 2000 Utilizando o multímetro, no modo para medir a corrente e a diferença de potencial passando em cada resistor. No esquema, o símbolo para o multímetro contém as letras DMM (digital volt meter) no meio. Clique e arraste a extremidade vermelha para um dos lados do resistor. Ela deve travar no local adequado. Clique e arraste a extremidade preta para o outro lado do mesmo resistor para medir a queda de tensão no resistor. Você pode ler a tensão e a corrente no painel do multímetro amarelo. Para medir a corrente, mude o multímetro de VDC para IDC. Anote seus dados na tabela abaixo. Quando utilizamos no modo amperímetro no laboratório virtual as duas pontas de prova ficam juntas, ou seja, ele mede a corrente que passa por aquele ponto. Já o voltímetro mede a tensão entre dois pontos, por isso ele deve estar conectado em cada um dos lados do resistor. Tabela de Dados II Resistor Resistência (ohms) Tensão (V) Corrente (A) 1 100 0,266 0,003 2 200 0,534 0,003 3 200 0,533 0,003 4 2000 5,331 0,003 5 2000 5,337 0,003 10 Em seguida, utilizando os mesmos resistores com seus respectivos valores monte um circuito em paralelo. Utilizando o voltímetro na escala V DC e o amperímetro I DC realize as medidas de tensão e correntes em cada um dos 5 resistores usados no item 4 da tabela. Faça as medições e preencha a tabela abaixo. Tabela de Dados III Resistor Resistência (ohms) Tensão (V) Corrente (A) 1 100 12,0 0,120 2 200 12,0 0,060 3 200 12,0 0,060 4 2000 12,0 0,006 5 2000 12,0 0,006 11 Perguntas Qual grandeza que permanece constante e o que varia no circuito em série? A corrente é mantida constante e a tesão é variada ao longo de cada resistor. O que permanece constante e o que varia no circuito em paralelo? A tensão é mantida constante e a corrente que passa sob cada resistor é variada. Resumindo qual a diferença de um circuito em série e um circuito em paralelo? No circuito em série a corrente é a mesma e o que é varia a tensão. No circuito em paralelo a tensão é a mesma e o que varia é a corrente. Dê um reset no experimento e monte um circuito com 3 lâmpadas em série. O símbolo para lâmpada é um círculo branco com um x no meio. Ligue as lâmpadas em 50V. Verifique se acendem. Se retirar uma lâmpada, o que acontece? 12 O circuito estando em série se tirarmos uma das lâmpadas do circuito, as outras lâmpadas apagam-se instantaneamente. Num circuito elétrico, os elétrons deslocam- se do polo positivo (+) para o polo negativo (-). Ao retirar uma das lâmpadas do suporte, o fluxo de elétrons no fio elétrico é impedido. Ao retirar uma lâmpada apagam-se as demais. 13 Dê um reset no experimento e ligue 3 lâmpadas em paralelo com a fonte de alimentação em 50V. O que acontece com o brilho das lâmpadas? O que acontece se você retirar uma lâmpada sem interromper o circuito? A luminosidade das lâmpadas é muito maior do que quando ligadas em série. As lâmpadas funcionam de forma independente uma da outra, se uma das lâmpadas é retirada, as outras lâmpadas continuarão acesas. Ao retirar uma lâmpada as outras continuam acesas. 14 Conclusão Concluímos que a montagem de um circuito depende de sua finalidade e que cada um possui uma particularidade em um circuito em série obtemos um único valor de corrente ao longo do circuito e que os valores da diferença de potencial e da resistência são inversamente proporcionais entre si, já em um circuito em paralelo o valor da diferença de potencial é constante em todo o circuito e que os valores da corrente e da resistência são proporcionais entre si. Concluímos também que para realizarmos uma correta medição do valor da corrente, em circuito em série, utilizando o amperímetro devemos utilizá-lo em série e devemos utilizar o voltímetro em paralelo para registrarmos um correto valor da tensão em um circuito em paralelo. Referências Bibliográficas https://www.sabereletrica.com.br/circuito-serie-e-paralelo/ http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/associacaoderesistores.php https://antoniogrippa.wordpress.com/2008/12/06/circuitos-em-serie-e-em-paralelo/ 33 - O efeito de um Campo Magnético no Movimento de Partículas Carregadas Resumo. Estudar o efeito de um campo magnético no movimento de cargas elétricas. Palavras chave: resistor, resistência, alimentação. Introdução Um campo magnético é o campo produzido por um íman ou por cargas eléctricas em movimento. O campo magnético de materiais ferromagnéticos é causado pelo spin de partículas subatômicas. Um campo magnético influencia cargas elétricas em movimento e ímãs permanentes. Poderia cogitar que as ligações químicas seriam produtos de desequilíbrios nos campos magnéticos, e não elétricos. O número de prótons, num átomo, é igual ao de elétrons, não havendo desequilíbrio algum. Procedimento Abra o Virtual Physics e selecione The Effect of a Magnetic Field on Moving Charges na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 15 Perguntas Agora vá para o eletroímã (situado no centro do experimento) e ajuste o campo magnético (Magnetic Field) para 40 μT (microtesla), clicando três vezes o botão acima do dígito da dezena (cuidado para não clicar entre os dígitos, isso muda a posição do ponto decimal; para mudar o ponto decimal de volta, clique onde ele estava originalmente). Qual a posição do ponto luminoso na tela de fósforo? O ponto iluminado é transladado para a direita. Pela regra da mão direita, sabendo que a carga dos elétrons é negativa, podemos inferir que o campo magnético atua na direção vertical, no sentido de cima para baixo. Diminua o campo magnético para 20 μT, o que acontece com o ponto luminoso? Por quê? O ponto iluminado é transladado para a esquerda. Quanto menor o campo magnético aplicado, menor é a deflexão sofrida pelo feixe de elétrons. 16 Diminua a intensidade do feixe do canhão de elétrons clicando acima do dígito da centena para 1e/s. O que você observa na tela de fósforo verde? O ponto na tela fica piscando. Isso demonstra que o feixe original de elétrons permanece inalterado, já que o campo magnético está nulo, inicialmente. Para desviar mais o feixe de elétrons, quais parâmetros você mudaria? Aumentaria a intensidade do campo magnético. Para qual posição se deslocou o ponto luminoso na tela de fósforo verde? Qual a diferença do feixe de partículas alfa para o feixe de elétrons no campo magnético? O ponto luminoso se deslocou para a esquerda. Sob as m esmas circunstâncias, entretanto, os elétrons eram cada vez mais defletidos para a direita, conforme crescia a intensidade do campo. Sabendo que a carga do elétron é negativa e que eles são defletidos em determinada direção, no caso anterior para a direita, ao observar que as partículas alfa são defletidas na direção oposta, podemos imediatamente inferir que elas possuem uma carga oposta à do elétron, ou seja, positiva. Qual o motivo de se aumentar o campo magnético para desviar as partículas alfa comparado ao feixe de elétrons? Porque a energia das partículas alfa é muito maior do que a dos elétrons, pois elas são maiores tanto em massa quanto em carga. Uma partícula alfa é o núcleo de um átomo de hélio, ou seja, tem 2 prótons e, portanto, o dobro dacarga de um elétron (em módulo), sem contar que a massa do núcleo de hélio é tremendamente maior do que a massa de um único elétron. Por esses motivos, é mais difícil defletir uma partícula alfa ao aplicar um campo magnético externo do que fazer o mesmo para um elétron. Por que somente as partículas em movimento são desviadas pelo campo magnético? Pois a força magnética que atua sobre uma partícula tem sua intensidade diretamente proporcional à carga da partícula, à velocidade da partícula, ao campo magnético aplicado e ao seno do ângulo formado entre a direção do campo magnético e a direção em que a partícula se move. Qual é a carga de uma partícula alfa e como ela é formada? A carga das partículas alfa é positiva. Uma partícula alfa é formada por dois núcleos, ou seja, dois prótons e dois nêutrons. Este tipo de partícula é denominada núcleo de hélio, porque este elemento possui dois prótons e dois nêutrons também. Cite exemplos de aplicações na atualidade. Televisões de tubo, aparelhos de ressonância magnética.
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