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ATIVIDADE PRÁTICA DE FÍSICA ELETRICIDADE A Atividade Prática de Física Eletricidade será realizada a partir da utilização do Laboratório Virtual de Física (virtual lab, o mesmo utilizado na disciplina de Física Mecânica). Para entrar nos experimentos descritos pelo roteiro de experimentos, o aluno deverá abrir o software, entrar na primeira janela e clicar no livro azul que se encontra sobre a mesa (workbook). Os experimentos a serem realizados são: 29: Effect of Electric Field on a Moving Charge (O Efeito de um Campo Elétrico no Movimento de Partículas Carregadas). 30: Capacitors (Capacitores) 31: Electric Current (Corrente Elétrica) 32: Series and Parallel Circuits (Circuitos em Série e em Paralelo) 33: Effect of a Magnetic Field on a Moving Charge (O Efeito de um Campo Magnético no Movimento de Partículas Carregadas). 1) O aluno deverá fazer um Relatório Cientifico para os experimentos 31 e 32, conforme modelo postado na rota de estudos - AVA. Neste relatório devem constar todos os gráficos e diagramas solicitados no roteiro do experimento (também postado na rota de estudos - AVA) de forma que as respostas para todas as perguntas do mesmo roteiro devem ser exploradas no texto do relatório. Os gráficos deverão ser realizados em Excel ou Word. 2) O aluno deverá realizar os experimentos 29, 30 e 33 e apresentar somente as respostas às perguntas colocadas no roteiro de experimentos. Não é necessário apresentar estes experimentos na forma de um relatório. Apresente somente as perguntas e as respectivas respostas num documento redigido em Word. 3) Tanto os relatórios (referente aos experimentos 31 e 32) como os trabalhos (referente aos experimentos 29, 30 e 33) deverão ser postados no AVA (em formato .doc ou .pdf) no link Trabalhos até o dia 19/05/2017. 4) A seguir selecionamos os experimentos a serem realizados. 29 O Efeito de um Campo Elétrico no Movimento de Partículas Carregadas Objetivo Estudar o efeito do campo elétrico no movimento de partículas carregadas. Procedimento 1-Uma vez aberto o Virtual Physics e selecione Effect of an Eletric Field on Moving Charges na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 2-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 (-). Clique no botão verde-vermelho (On/Off) para ligar a tela de fósforo verde. 4-Clique na mesa de experimentos e arraste para esquerda, e em seguida arraste a janela do detector de fósforo verde para a direita, evitando a sobreposição. Clique no botão (Grid) na tela de fósforo verde. Clique nos botões acima e abaixo dos dígitos para modificar o campo elétrico (Electric Field) localizado no centro da mesa, quando você clicar vai aparecer uma mãozinha. Observe o ponto iluminado na tela do detector. Vá ajustando o campo elétrico de 1 em 1 V até 10 V (muita atenção para não clicar entre os dígitos, pois isso muda a posição do ponto decimal; para mudar o ponto decimal de volta, clique onde ele estava originalmente). 5- Qual o comportamento do ponto luminoso na tela de fósforo verde à medida que a diferença de potencial entre as placas aumenta? Por quê? R-> O ponto se move para a esquerda na medida em que vai aumentando a voltagem. Isso si deve devido o feixe de elétrons emitido pelo canhão, sofre a influencia da força do campo elétrico, onde pelo qual o mesmo está passando. 6- 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? R-> O ponto se move para a direita, pois a aumentar, a corrente elétrica do canhão o ponto fica menos sensível ao efeito produzido pelo campo elétrico. 7- O que acontece com o ponto luminoso quando você aumenta a energia cinética do feixe de elétrons? Por quê? R-> O ponto luminoso se move cada vez mais para a direita, quando mais é aumentado o valor da energia cinética dos elétrons emitido pelo canhão, menos eles se tornam sensíveis ao efeito do campo elétrico, o qual tenta desviar sua trajetória. 8- Agora vamos trocar o modo de emissão para partículas alfa, zerando o medidor de campo elétrico ajustando os valores até o ponto luminoso ficar no ponto central da tela de fósforo verde. 9-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? R-> Esta no centro da tela de fósforo. 10-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? R-> O ponto se deslocou muito pouco para a direita. 11- Por que é necessária uma diferença de potencial maior para mover as partículas alfa em relação ao feixe de elétrons? R-> Devido as suas propriedades. Pois a energia das partículas alfa e muito maior que a dos elétrons, pois as partículas alfa, são maiores em massa e em carga. 12- Qual o comportamento do feixe quando mudamos o sinal para positivo? R -> O feixe se desloca para a direita. 13-Do que é formada uma partícula alfa? R-> Partículas alfa é o núcleo de um átomo de Hélio, a qual tem dois prótons. 30 Capacitores Objetivo Entender o armazenamento de energia potencial elétrica observando como os capacitores são carregados e descarregados. Procedimento 1-Abra o Virtual Physics e clique em Capacitors na lista de experimentos. O laboratório virtual vai abrir a bancada de circuitos elétricos (Circuits). 2-No momento que você abre o experimento existe um resistor e um capacitor ligado a uma fonte de alimentação com 10V (chamado de gerador de função), esta fonte está desligada. O resistor é utilizado para aumentar o tempo de carga e descarga do capacitor. 3-Se observarmos o circuito temos um multímetro medindo a tensão (voltagem) e um osciloscópio também ligado ao capacitor. Para ligar o osciloscópio clique em cima dele e arraste para não atrapalhar a visualização da mesa de experimentos. 4- Precisamos medir a tensão e o tempo, usando um cronômetro, anote a elevação de tensão e o tempo. Para dar início ao experimento, clique na prancheta do lado direito e selecione o item 6, Charging Capacitor. Seja rápido pois tem que medir a tensão e o tempo, talvez precise de alguém para ajudar a cronometrar. Anote todos os dados até o capacitor chegar em 5 V.Segue a tabela exemplo a seguir. Preencha todos os valores e faça um gráfico da tensão em função do tempo. Medida Tempo (s) Tensão (V) 1 1.45 1 2 3.43 2 3 5.57 3 4 8.31 4 5 11.33 5 5-Se precisarmos armazenar mais energia, temos que aumentar a capacitância. Por quê? R-> Porque a quantidade de carga que será armazenada é limitada pela capacitância. Si ultrapassamos esta capacidade prejudicaremos o capacitor. 6- Se precisarmos diminuir o tempo de carga de um capacitor quais os componentes que podemos alterar no circuito? R-> Pode alterar o valor do resistor, pois o mesmo controla o tempo de carga e descarga do capacitor. 7-Agora vamos descarregar o capacitor, clique no botão Reset Lab no canto inferior da mesa. Clique na prancheta do lado direito e selecione o item 7, Discharging Capacitor, descarregando o capacitor, onde temos um circuito de descarga de um capacitor. Anote na tabela os respectivos valores do tempo de descarga, de 10V até chegar em 0V, conforme a tabela, em seguida realize os gráficos da tensão em função do tempo. Medida Tempo (s) Tensão (V) 1 0.0 10V 2 0.0 9V 3 0.2 8V 4 0.3 7V 5 0.5 6V 6 0.6 5V 7 0.8 4V 8 0.10 3V 9 0.13 2V 10 0.23 1V 11 1.33 0V 9- Porque nos aparelhos eletrônicos existe uma advertência para tomar cuidado ao abrir? R-> Porque os capacitores podem estar carregados, podendo ocasionar choques elétricos. 31 Corrente Elétrica Objetivo Estudar o comportamento da corrente elétrica ao passar por dispositivos elétricos passivos (resistores). Procedimento 1-Para iniciarmos o Virtual Physics é necessário clicar em Electric Current na lista de experimentos. O programa vai mostrar a bancada de circuitos elétricos (Circuits). 2-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. 3-Altere a tensão de alimentação (gerador de função) que está conectado ao resistor simples e está setado para 12 V DC, altere a tensão para 20V. Observe no protoboard que o cabinho amarelo está conectado ao polo positivo do gerador e o cabinho verde ligado ao polo negativo. Resistor simples 4-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. 5-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. Resistor Corrente de entrada Corrente de saída 100 0.200 0.200 Resistores em série 6-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. 7-Vamos medir a corrente que entra e a corrente que sai em cada resistor e preencher a tabela abaixo. Resistores em série Corrente de entrada Corrente de saída Resistor 150 0.047 0.047 Resistor 180 0.047 0.047 Resistor 100 0.047 0.047 8- Observando a tabela de dados qual é a conclusão? R-> Em circuitos com resistores ligados em série, a corrente que passa em cada resistor é a mesma. Resistores em paralelo 9-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. 10-Anote os dados da corrente elétrica que entra e a corrente elétrica que sai de cada resistor e preencha a tabela de dados abaixo. Resistores em paralelo Corrente de entrada Corrente de saída 1 k 0.020 0.020 200 0.100 0.100 500 0.040 0.020 11-Qual o comportamento da corrente elétrica em resistores num circuito em série? R-> Resistores em num circuito em séria todos os resistores são percorrido pela mesma corrente elétrica. Existindo apenas um caminho para corrente elétrica. 12-O que acontece com a diferença de potencial em cada resistor num circuito em paralelo? R-> Está sujeito, a mesma (ddp), mas são percorridos por correntes elétricas diferente, proporcional ao valor de cada um. 13- No circuito paralelo o que acontece com as correntes em cada resistor? R->Os resistores são percorridos por correntes elétricas diferentes, que são proporcionais ao valor de cada um. 14-Podemos considerar um circuito formado de resistores como um único resistor? R-> Sim. Se tivermos apenas um resistor de resistência R submetido à mesma diferença d e potencial V, A corrente “antes” e “depois” dele ainda será a mesma e com a mesma intensidade. 15 - Na física, qual analogia podemos fazer do conceito de corrente elétrica com a hidráulica? R-> No caso de o circuito estar ligado e m 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 bate ria ou fonte, e os canos em paralelo são os resistores. Obviamente cada resistor terá sua própria corrente. 16 - Qual a diferença de corrente elétrica convencional e corrente real ou eletrônica? R-> 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 Objetivo Demonstrar o funcionamento de circuitos em série e em paralelo e comparar suas diferenças. Procedimento Inicie o Virtual Physics e selecione Seriesand Parallel Circuits na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de circuitos elétricos (Circuits). 2-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. 3-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. 4-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 resistor conectado ao lado negativo. Resistor Resistência ( 1 100 2 200 3 200 4 2000 5 2000 6-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. Resistor Tensão (V) Corrente (A) 1 0.267 0.003 2 0.533 0.003 3 0.534 0.003 4 5.340 0.003 5 5.326 0.003 7-Em seguida, utilizando os mesmos resistores com seus respectivos valores monte um circuito em paralelo. 8- 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. Resistor Tensão (V) Corrente (A) 1 12.00 0.120 2 12.00 0.060 3 12.00 0.060 4 12.00 0.006 5 12.00 0.006 9-Qual grandeza que permanece constante e o que varia no circuito em série? R-> A corrente si mantem constante porem a voltagem varia a cada ponto dos resistores. 10-O que permanece constante e o que varia no circuito em paralelo? R -> A corrente que passa sobe cada resistor varia porem a voltagem é constante. 11- Resumindo qual a diferença de um circuito em série e um circuito em paralelo? R1-> No circuito em série a corrente é a mesma, quem varia é a voltagem. R2 -> No circuito em paralelo a voltagem é a mesma, quem varia é a corrente. 12- 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? R-> O fluxo de corrente é interrompido é assim as dê mais lâmpadas apagam. 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? R-> O brilho das lâmpadas em paralelo é maior que as mesmas em série. Sendo que tanto a corrente entre elas e a tensão são distribuída da com a mesma intensidade, deferente do circuito em série quando tiramos uma lâmpada as outras não apagam sendo que o fluxo de corrente continuar constate no circuito. 33 O Efeito de um Campo Magnético no Movimento de Partículas Carregadas Objetivo Estudar o efeito de um campo magnético no movimento de cargas elétricas. Procedimento 1-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). 2-Podemos observar o experimento montado, onde podemos visualizar o canhão de elétrons (Electron Gun), o eletroímã, para o desvio dos elétrons; e a tela de fósforo verde (Phosphor Screen) para detecção das partículas. 3-Para realizar o experimento clique na tela de fósforo verde e arraste a tela para não ficar em cima do experimento montado. Em seguida clique no botão verde-vermelho (On/Off), onde podemos observar o ponto luminoso no centro da tela. Aperte o botão (Grid). 4-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? R-> Posição cinco do lado direito. 5- Diminua o campo magnético para 20 μT, o que acontece com o ponto luminoso? Por quê? 6- 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? R-> O ponto ficou piscando com a intensidade de brilho muito fraca. 7- Para desviar mais o feixe de elétrons, quais parâmetros você mudaria? R-> Aumentaria a intensidade do campo magnético. 8-A seguir altere o campo magnético de modo que o ponto luminoso fique no ponto central da tela de fósforo verde, vamos trocar de fonte o canhão de elétrons levando para o 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 até a mesa e coloque-a onde estava o canhão de elétrons. Abra a janela da fonte de partículas alfa (on/off) para iniciar a emissão, verifique se aparece na tela de fósforo. 9-Altere a unidade do campo magnético de μT para mT (militesla) clicando no botão acima da unidade. Clique três vezes no botão acima do dígito da centena para ajustar o campo magnético para 400 mT. 10-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? R -> O ponto luminoso se deslocou para a esquerda. Sob as mesmas 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 de fletidas na direção oposta, podemos imediatamente inferir que elas possuem uma carga oposta à do elétron, ou seja, positiva. 11- Qual o motivo de se aumentar o campo magnético para desviar as partículas alfa comparado ao feixe de elétrons? R-> O motivo é porque a energia das partículas alfa é maior que a dos elétrons, pois elas são maiores tanto em massa como em carga. Sendo assim o motivo para aumentar a força do campo magnético. Pois as partículas alfa é originalmente o núcleo de um átomo de Hélio com dois prontos que é o dobro da carga deum elétron. 12-Por que somente as partículas em movimento são desviadas pelo campo magnético? R-> porque a força magnética que atua sobre uma partícula tem sua intensidade diretamente proporcional á carga da partícula. 13- Qual é a carga de uma partícula alfa e como ela é formada? R-> 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 denominado núcleo de hélio, porque este -. Elemento possui dois prótons e dois nêutrons também. 14- Cite exemplos de aplicações na atualidade. R-> Tvs de tubo, aparelhos de ressonância magnética.
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