Relatorio 01 Fisica 3

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Área de Inovação e Tecnologia – Experimentação
Eletrização
Michael Jonathan Capelletti	mat: 0228558
Romário Teles de Souza mat: 0239122
Prof. Igor Luiz Penso
30 de novembro de 2016
Objetivo
	Analisar o funcionamento do gerador de Van de Graaf, verificando se um corpo está ou não eletrizado; utilizar um eletroscópio para compreender os processos de eletrização, e entender, na prática, o que é um campo elétrico, através de um processo de eletrização.
Introdução Teórica
2.1. História da Eletricidade
O termo eletricidade tem origem dos gregos derivado de sua palavra para âmbar, contudo seu foco estava na filosofia e na lógica. Fazendo com que outros pensadores realizassem seus estudos sobre o assunto.
De acordo com Hayt, William H. (2013, p. 26)
“Dr. Gilbert, físico de Sua Majestade a Rainha da Inglaterra, foi o primeiro a fazer algum trabalho realmente experimental abordando esse efeito e, em 1600, estabeleceu que o vidro, o enxofre, o âmbar e outros materiais que ele listou, não apenas atraíam para si próprios a palha, mas também todos os metais, madeira, folhas, pedra, terra, e até água e óleo. ”
O cientista francês François du Fay (1698 - 1739) procurou dar uma explicação a esse fenômeno da eletrização. Baseando-se em um grande número de experiências, lançou em 1733, uma hipótese que teve grande aceitação durante todo o século XVIII. A Teoria dos dois fluidos elétricos dizia que existiam dois tipos de eletricidade: eletricidade vítrea (aquela que aparece no vidro após ele ser atritado com seda) e eletricidade resinosa (aquela que aparece no âmbar atritado com pele). Todos os corpos que possuíssem eletricidade de mesmo nome (vítrea ou resinosa) iriam se repelir uns aos outros. Por outro lado, corpos com eletricidade de nomes contrários, iriam se atrair mutuamente.
Contudo o cientista americano Benjamin Franklin, formulou outra teoria que explicava o mesmo fenômeno observado por François du Fay. Franklin formulou a hipótese de um fluido único que sugeria que dois corpos eletrizados se repelem porque ambos teriam atmosferas elétricas formadas por partículas que se repelem mutuamente.
2.1. Eletricidade
“A eletricidade é o nome dado a um conjunto de fenômenos subjacentes, a quase tudo que nos envolve, a eletricidade é presente hoje em dia em muitos aparelhos, a eletrostática abrange cargas elétricas e forças elétricas o qual investiga a eletricidade em repouso. ” (HEWITT, PAUL G., 2011, p. 387).
Outro conceito que pode ser citado é que a eletricidade é uma forma de energia gerada através da ação química, indução magnética, aquecimento, luz, atrito ou por cristais piezelétricos (cristal submetido a uma pressão).
A eletricidade pode ser facilmente transportada usando apenas condutores elétricos, como também pode ser transformado em outros tipos de energia, como energia luminosa, energia mecânica, energia calorifica, entre outras.
2.2. Cargas e forças elétricas
De acordo com (HALLIDAY, RESNICK, 2012, pág.1) “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 das partículas. ”
A força elétrica é denominada lei de Coulomb desde o século XVIII, e estabelece que dois corpos carregados eletricamente, são menores do que a distância entre eles, a força sempre varia de acordo com o produto da carga e inversamente com o quadrado da separação mutua, podendo ser aplicada na formula da lei de Coulomb, conforme figura 01. (HEWITT, PAULG, 2011).
F=força em Newtons (N)
K=9x109 (constante eletrostática)
Q1 e Q2= cargas 1 e 2
D= distância em metros (m)
2.3. Gerador de Van de Graaf
	O gerador de Van de Graaf é uma máquina eletrostática que foi criada pelo engenheiro Robert J. Van de Graaf, em 1929. Essa, foi empregada na física nuclear para produzir tensões muito elevadas em aceleradores de partículas. 
Este gerador é um gerador de corrente constante, enquanto que a bateria é um gerador de voltagem constante. Pequenos geradores de Van de Graaf tem capacidade para 200 KV, enquanto que em grandes pode ultrapassar 10 MV.
Basicamente um gerador de Van de Graaf ao ter seu motor ligado irá atritar o rolete inferior com a correia, fazendo com que este adquire carga, gerando um campo elétrico intenso, enquanto a correia irá transportar estas cargas elétricas para cima, fazendo a esfera ficar carregada. Este ciclo se repede, tendo em vista que a correia desse neutra ou negativamente carregada, e assim a esfera ficará cada vez mais carregada. Contudo existem perdas nesse processo, fazendo assim existir um limite para a carga da esfera.
2.4. Poder das pontas
O Poder das pontas é a capacidade dos corpos eletrizados de se descarregarem por elas. Assim, se resume na facilidade que as cargas elétricas terão para entrar e para sair por lugares pontiagudos.
A carga elétrica em excesso, num corpo condutor, distribui-se apenas pela superfície externa do corpo e concentra-se nas zonas mais pontiagudas ou de menor raio. Em virtude disso, o campo elétrico nessas regiões é mais intenso do que nas regiões mais planas do condutor. Por isso, em situações de tempestades em zonas abertas, não se aconselha abrigar-se embaixo de árvores ou permanecer de pé em um campo aberto.
	Para o procedimento, foi necessário acrescentar ao gerador de Van de Graaf um torniquete, sendo esse ligado à esfera do mesmo.
2.5. Linhas de força em um campo elétrico
	O físico inglês Michael Faraday introduziu o conceito de linha de força para visualizar a interação elétrica entre duas cargas. As linhas de força não eram apenas um meio de visualização, mas tinham existência real. Assim, as forças elétricas e magnéticas eram conduzidas por linhas elásticas que saiam dos corpos eletrizados ou magnetizados e se estendiam pelo espaço, chamadas de linhas de força. 
	Logo uma linha de força é uma linha imaginária tal que a sua tangente em cada ponto forneça a direção e o sentido do campo elétrico naquele ponto. Deste jeito, "em cada ponto do espaço, o valor do campo é determinado pelo número de linhas por unidade de área transversal. Quanto maior a densidade de linhas de campo, maior a intensidade do campo. ” (FARADAY, MICHAEL, 1836). Para obter a direção do campo, basta traçar a reta tangente à linha no ponto desejado e para obter o sentido, segue-se a orientação indicada pela linha de força, conforme figura 02. 
Figura 02 - Representação de linhas de força e campo elétrico.
(Fonte: IBM1018 – Física Básica II – FFCLRP – USP – Prof. Antônio Roque – Aula 3)
	
	Por fim, convencionado que 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 para campos gerados por cargas elétricas negativas, são representados por linhas de força convergentes, sentido de aproximação.
	O processo de análise de linhas de força em um campo elétrico, necessitou de eletrodos de várias formas, cuba de vidro, óleo mineral, sementes de grama (devido ao seu peso), fixadores de eletrodos e dois cabos de ligação.
2.6. Eletroscópio	
O eletroscópio é um aparelho que se destina a indicar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado ou não. Para a verificação disto, basta aproximá-lo de uma esfera, inicialmente neutra. Assim, se a esfera não se deslocar, o corpo está descarregado e se ela deslocar, o corpo está eletrizado.
Vale lembrar que os materiais em seu estado fundamental são neutros, ou seja, a somatória de suas cargas elétricas é nula. Por isso os fenômenos elétricos só podem ser observados quando haja excesso de cargas negativas ou positivas no material. Ainda podemos ressaltar que a eletrização só se dá entre materiais isolantes, pois os materiais condutores não têm a capacidade de reter cargas elétricas, já os materiais isolantes não permitem que as cargas se movimentem em seu interior. 
	Para executar o procedimentocom o eletroscópio necessitou de pêndulo feito com papel alumínio (eletroscópio) e uma caneta eletrizada por atrito.
2.7. Processos de eletrização		
Essencialmente, existem dois tipos de portadores de carga elétrica: os prótons sendo positivos e os elétrons negativos. Em condições de equilíbrio, qualquer material é eletricamente neutro, contendo igual número de prótons e elétrons. Assim, é eletricamente positivo quando tem excesso de prótons ou falta de elétrons. Da mesma forma ele será negativamente carregado se tiver um excesso de elétrons.
Dentre os processos de eletrização temos: por atrito, contato e indução. Por atrito, é feita quando atritamos materiais que possuem características de condutividade elétrica diferentes. No processo por contato, ocorre o contato entre dois condutores em um sistema isolado. Assim, suas cargas são somadas e distribuídas igualmente entre ambos. Por último, no processo por indução, aproximamos de um material condutor, um material carregado, que induz uma redistribuição das cargas elétricas do condutor. Após a polarização do condutor, efetua-se o aterramento desse, permitindo que entrem ou saiam elétrons para compensar a polarização do outro lado. Em seguida, afasta-se o indutor. Desta forma, o condutor passa a ter uma carga elétrica diferente da inicial.
	O processo de eletrização, precisou de água, caneta de plástico ou régua, fragmentos de papel, canudos e papel toalha.
3. Procedimento Experimental
3.1. Distribuição das cargas elétricas nos corpos
O gerador básico, conforme figura 03, é composto por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga (normalmente, uma esfera metálica), um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio. Os materiais mais usados na coluna são o acrílico ou PVC. Os roletes são de materiais diferentes, ao menos um deles isolantes, para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia. O motor gira os roletes, que ficam eletrizados e atraem cargas opostas para a superfície externa da correia através das escovas. A correia transporta essas cargas entre a terra e a cúpula. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior. Assim, as cargas continuam a ser extraídas da correia como se estivessem indo para a terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas. 
Em sequência foi aproximado uma lâmpada fluorescente do gerador e a mesma obteve picos de luz, ligando e desligando, sem estar conectada em nenhuma fonte de energia.
Figura 03 – Gerador de Van de Graaf.
(Fonte: Museu das Comunicações de Macau)
3.2. Poder das pontas
O procedimento para executar este processo, consiste em utilizar no gerador de Van de Graaf um torniquete ligado à esfera do mesmo. Assim, ao ligar o gerador eletrostático e regular a velocidade de rotação média, o torniquete, começa a se movimentar, girar, no sentido anti-horário. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas do torniquete, o ar se ioniza e os íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas, são repelidas. Os íons, por sua vez, repelem as pontas, forças de reação, determinando a rotação do torniquete.
3.3. Linhas de força em um campo elétrico
No primeiro processo, com eletrodos abertos, em paralelo, os mesmos possuem cargas elétricas pontuais, de mesmo módulo e sinais opostos. Sob a influência do campo elétrico gerado por essas cargas, as sementes foram se orientando de acordo com as linhas de forças, caracterizando a configuração do campo elétrico entre os dois eletrodos.
No segundo procedimento, com eletrodos fechados, em círculo, apenas as sementes externas foram orientadas de acordo com as linhas de força. Entretanto, as sementes internas, não sofreram nenhuma alteração em seu movimento.
3.4. Eletroscópio
	No procedimento quatro, foi aproximado o material eletrizado por atrito (a caneta), ao pêndulo (eletroscópio), o mesmo se deslocou e se aproximou da caneta.
3.5. Processo de eletrização
	No primeiro processo, utilizando uma caneta, atritada nos cabelos e pedaços de papeis, foi observado a aproximação do papel para a caneta.
	No segundo processo, utilizando um filete de água e a caneta, também atritada da mesma maneira, foi observado que a água foi atraída com a aproximação da caneta.
	No último processo, utilizando o canudo inicialmente neutro e colocado na parede, o mesmo caiu. Após a eletrização do mesmo por atrito com o papel, esfregado em mesmo sentido e colocado novamente na parede ele permaneceu no local preso.
4. Análise dos resultados
4.1. Distribuições das cargas elétricas nos corpos
Ao ligarmos o gerador, o potencial elétrico da esfera devidamente isolada é zero. Assim, mantendo-se constante a diferença de potencial da fonte, ocorrem transferências contínuas de cargas elétricas até que a esfera adquira o mesmo potencial elétrico da fonte. Desta forma a distribuição regular das cargas no corpo da esfera forma um campo elétrico de direção radial e com orientação para o centro da mesma.
Nos condutores as cargas se concentram nas superfícies. Por isso quando repetimos a experiência, desta vez, fixando as fitas de alumínio na parte interna da esfera, nada se observa, pois neste local o campo elétrico é nulo, explicado pela lei de Gauss.
Na lâmpada fluorescente, a transferência de elétrons faz com que esses se choquem com as moléculas de gás mercúrio contidas no tubo, o que produz não só a excitação como também a ionização dos átomos. Ionizados, os átomos do gás são acelerados pela diferença de voltagem entre os terminais do tubo e ao se chocarem com outros átomos, provocam outras excitações. O retorno desses átomos ao estado fundamental ocorre com a emissão de fótons de energia correspondente a radiações visíveis e ultravioleta invisível. A radiação ultravioleta, ao se chocar com o revestimento fluorescente do tubo (fósforo), produz luz visível. Nesse caso, como a corrente de elétrons não é contínua, observou-se apenas rápidos clarões.
4.2. Poder das pontas
Nas pontas eletrizadas do torniquete o ar se ioniza, ocorrendo repulsão entre os íons e as pontas de carga de mesmo sinal, determinando a rotação do torniquete em sentido contrário aos das pontas, nesse caso anti-horário e com velocidade elevada.
4.3. Linhas de força em um campo elétrico
No primeiro processo, com eletrodos abertos, em paralelo, os mesmos possuem cargas elétricas pontuais, de mesmo módulo e sinais opostos. Sob a influência do campo elétrico gerado por essas cargas, as sementes foram se orientando de acordo com as linhas de forças, caracterizando a configuração do campo elétrico entre os dois eletrodos, conforme figura 04.
Figura 04 - Representação de influência de campo elétrico com eletrodos paralelos.
(Fonte: Maria Antonieta Almeida)
No segundo procedimento, com eletrodos fechados, em círculo, apenas as sementes externas foram orientadas de acordo com as linhas de força. Entretanto, as sementes internas, não sofreram nenhuma alteração em seu movimento, conforme figura 05.
Figura 05 - Representação de influência de campo elétrico com eletrodos paralelos.
(Fonte: Maria Antonieta Almeida)
4.4. Eletroscópio
	Aproximou-se a caneta eletrizada do pêndulo de isopor e o mesmo foi atraído para a caneta. Isso ocorre por que a caneta possui cargas elétricas e a esfera está sem cargas, portanto a esfera é atraída pelas cargas da caneta. Após fazer o experimento de aproximação, a caneta eletrizada foi encostada na esfera, onde a mesma ficou colada na caneta por alguns instantes e logo depois se soltou. Isso aconteceu, pois as cargas da caneta foram passadas para a esfera, até elas ficarem com as mesmas cargas.
4.5. Processo de eletrização
Ao atritar a caneta com o cabelo seco ela fica eletrizada e atraí os papéis que no momento estão neutros, sem nenhuma carga. Isso ocorre porque objetos de cargas opostas ou um objeto com carga e outro neutro tendem a se atrair. Então, por esse motivo, a caneta que estáeletrizada com alguma carga atraí os pedaços de papéis que estão neutros. Ao aproximar a mesma caneta eletrizada de um filete de água, a mesma é atraída para a caneta porque ela está em um estado elétrico neutro e a caneta está eletrizada. No estado de eletrização, em que o papel e a água se encontravam, não poderia acontecer o processo de repulsão entre os materiais, pois eles estavam neutros e objetos neutros são atraídos por cargas negativas e positivas. Para que ocorresse a repulsão, tanto da água quanto os pedaços de papel, deveriam ser eletrizados com uma carga contrária da caneta por algum processo de eletrização.
	Por fim, ao colocar o canudo encostado na parede, sem fazer processo de eletrização com ele, o mesmo cai no chão. Depois de eletrizar ele por atrito ao encostar o canudo na parede, ele será atraído por ela e ficara colado por um tempo. Após, ele irá passar parte das suas cargas para a parede e com isso irá perder o poder de atração e vai cair no chão. No caso do canudo estar eletrizado negativamente, ao colocá-lo na parede, as cargas negativas da parede se afastam do canudo e as positivas se aproximam, conforme figura 06. Com isso, o canudo fica grudado nela, ao passar do tempo as cargas do canudo vão ser passadas para a parede pelo processo de eletrização, por contato, e com isso, o processo de atração vai ser encerrado e o canudo vai ser descolado da parede e deslizar por ela até o chão.
5. Conclusão
No procedimento 01, a lâmpada acende, pois o potencial elétrico gerado pela esfera tem simetria radial e decai com o inverso da distância. Já no procedimento 02, verificou-se que nas pontas do torniquete o ar se ioniza, o que gera uma repulsão entre os íons e as pontas de carga, fazendo assim o torniquete girar. No 03, as cargas elétricas dos eletrodos são de mesmo módulo e sinais opostos, sendo assim as sementes foram se orientando pelas linhas de força geradas por esse campo elétrico entre os dois eletrodos. No 04, ao aproximar a caneta eletrizada da esfera aparentemente com carga neutra, a caneta tende a atrai-la. E ao encostar a caneta, os objetos ficavam unidos até voltar ao seu estado original de eletrização. Por fim, no último procedimento, 05, ao aproximar a caneta eletrizada, tanto do papel, quanto da água, que estariam com carga elétrica neutras, tendem-se a atrair. No primeiro momento, o canudo eletrizado, atrairá as cargas opostas da parede e afastará as cargas iguais e com isso ficará grudada nela. Assim, foi verificado que com os ensaios desenvolvidos no laboratório, as cargas opostas se atraem e cargas iguais se repelem, conforme já verificado teoricamente.
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Parede
Canudo
Figura 06 - Representação de cargas elétricas de canudo e parede.
(Fonte: autor)
6. Referências Bibliográficas
HALLIDAY, D., Resnick, R. Walker, J - Fundamentos de Física 3 – Tradução BIASI Ronaldo Sérgio de, - Rio de Janeiro: Livros técnicos e Científicos Editora, 8a Edição, 2012.
CAPELARI, D.; ZUKOVSKI, S. N. S. - A importância da física experimental no cotidiano e a educação - Revista F@pciência, Apucarana-PR, ISSN 1984-2333, v.5, n. 2, p. 12 – 16, 2009. 12, acessado em 01/10/2016.
HAYT, William H. – Eletromagnetismo - Tradução SCHOROEDER, Marco Aurélio de Oliveira – Porto Alegre: AMGH 8ª Edição, 2013
SADIKU, Matthew N. O. – Elementos de eletromagnetismo – Tradução LISBOA, Jorge Amoretti, LODER, Liane Ludwing – Porto Alegre: Bookman 5ª Edição, 2012.
IBM1018 – Física Básica II – FFCLRP – USP – Prof. Antônio Roque – Aula 3: http://sisne.org/Disciplinas/Grad/FisicaBasica2IBM/aula3.pdf, acessado em 01/10/2016.
A lâmpada Fluorescente: http://www.feiradeciencias.com.br/sala14/14_19.asp, acessado em 01/10/2016.
E-Física: http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/carga/poder_pontas, acessado em 01/10/2016. 
Mundo Educação: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/o-gerador-van-graaff.htm, acessado em 01/01/2016.
Só física: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/cam po3.php, acessado em 01/10/2016.
https://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/mod01/m_s01.html, acessado em 01/10/2016.
http://www.professormario.com.br/textos/listas/3EM-eletricidade_estatica.pdf, acessado em 01/10/2016.
Cursos Cpt: http://www.cpt.com.br/cursos-eletricidade-fazenda/artigos/eletricidade-nocoes-basicas, acessado em 27/10/2016.
Eletroscópio: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ele12.htm, acessado em 27/10/2016.
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