Experimento 1 2017

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Laboratório de Física III Experimental
Semestre 2/2017
Princípio de Funcionamento
Eletroscópio de Folha
Turma: 3043
 Autor: Luiz Antônio Macedo Ramos
Integrantes do grupo:
Nome:Adailton Mateus dos santos/ matricula:201607448441
Nome:Beatriz Francisco dos Santos/ matricula:201408027844
Nome:Vivian Carvalho Cardoso da Silva/ matricula:201402200633
 Professor: Luiz Lima
Resumo
Neste experimento, será feito a análise de como a distribuição de cargas se comporta mediante as condições diferentes, através do eletroscópio de folhas com o intuito de facilitar o entendimento referente á eletrostático. 
Introdução
Todos os corpos são formados de átomos. Cada átomo é constituído de partículas elementares: prótons (carga positiva), os elétrons (carga negativa) e o nêutron (carga nula). 
A carga elétrica é uma propriedade que está intimamente associada as partículas elementares que formam o átomo .Tais partículas se distribuem no átomo : prótons e nêutrons localizam-se no núcleo, já os elétrons estão em uma região denominada eletrosfera. 
No núcleo, a intensa força de repulsão entre os prótons é equilibrada por outra força (nuclear), que mantém juntos os prótons e os nêutrons. Por sua própria distribuição, os elétrons podem mais facilmente abandonar o átomo, ou elétrons de fora podem se agregar a ele. Com isso, o átomo perde sua neutralidade, adquirindo uma carga positiva (se perder elétrons) ou negativa (se receber elétrons) – desta maneira, o corpo encontra-se eletrizado, ou seja, apresenta carga elétrica diferente de zero. Se o número de prótons é igual ao número de elétrons, este permanece neutro e esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático.No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de carga elétrica é o coulomb (C). O próton e o elétron, em módulo, possuem a mesma quantidade de carga elétrica, denominado quantidade de carga elementar (e), possui o valor de: e=1,6 .10-19 C
A quantidade de carga elétrica total (Q) será sempre um múltiplo inteiro (n) vezes o valor da carga elementar (e). Essa quantidade de carga pode ser determinada através da expressão: Q=n.e
Toda carga gera um campo de força invisível (campo elétrico), que pode ser descrita pela lei de Gauss( lei que estabelece a relação entre o fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada com a carga elétrica que existe dentro do volume limitado por esta superfície)
Algumas considerações importantes sobre a de lei de Gauss são:
A lei de Gauss não contém nenhuma informação que não esta contida na lei de Coulomb e no princípio da superposição. Inclusive, é possível obter a lei de Coulomb a partir da lei de Gauss e vice-versa.
É fundamental para a lei de Gauss, o fato de que a força elétrica é proporcional ao inverso do quadrado da distância. É esse fato que faz com que o fluxo de E não dependa da "superfície gaussiana" escolhida e dependa apenas das cargas que estão localizadas no interior da superfície. Dessa forma, é possível pensar numa lei de Gauss que estabeleça uma relação de fluxo para qualquer campo cuja lei de força associada a esse campo seja proporcional ao inverso do quadrado da distância, como a força gravitacional, por exemplo, logo existe uma lei de Gauss da gravitação. 
Apesar da lei de Coulomb nos fornecer o necessário para calcular o campo elétrico de uma distribuição de cargas, muitas vezes, as integrais que envolvem o cálculo do campo elétrico podem ser complicadas de serem resolvidas, mesmo para casos razoavelmente simples. É nesse ponto que reside um dos aspectos de maior eficiência da lei de Gauss: o cálculo do campo elétrico em distribuições de carga que possuam determinados tipos de simetria torna-se extremamente simples. 
A lei de Gauss se refere sempre ao fluxo no interior de uma superfície gaussiana escolhida. Portanto, para utilizar a lei de Gauss, é necessário definir o que é uma "superfície gaussiana". Esta é, por sua vez, uma superfície arbitrariamente escolhida. Normalmente, essa superfície é escolhida de modo que a simetria da distribuição de carga permita ao menos em parte da superfície, um campo elétrico de intensidade constante. 
Fluxo do campo elétrico
O fluxo de um campo elétrico é uma grandeza escalar e pode ser considerado como uma medida do número de linhas de campo que atravessam a superfície. Convenciona-se que se hão mais linhas de campo saindo da superfície do que entrando, o fluxo do campo elétrico através da superfície é positivo e se há linhas de campo entrando na superfície do que saindo da mesma, o fluxo é negativo. Além disso, é importante observar o fato de que se o número de linhas de campo que entra na superfície é igual ao número de linhas de campo que sai da superfície, então o fluxo de campo elétrico através da superfície é nulo.
(figura1) Linhas de campo elétrico "furando" uma superfície, mostrando que o existe fluxo de campo elétrico através da superfície. Como as linhas de campo estão saindo da superfície, o fluxo do campo elétrico é positivo.
Além do E, existe uma interação entre cargas, Lei de Coulomb. A Lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Esta lei estabelece que o módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva dependendo do sinal das cargas. É atrativa se as cargas tiverem sinais opostos. É repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal. Após detalhadas medidas, utilizando uma balança de torção, Coulomb concluiu que esta força é completamente descrita pela seguinte equação:
F=k.Q1.Q2 d2 
Diagrama que descreve o mecanismo básico da lei de Coulomb.
As cargas iguais se repelem e as cargas opostas se atraem.
Gerador de Van de Graaff
O gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática que foi inventada pelo engenheiro estado-unidense descendente de holandeses, Robert Jemison Van de Graaff por volta de 1929. O gerador de Van de Graaff funciona através da movimentação de uma correia que é eletrizada por atrito na parte inferior do aparelho. Ao atingir a parte superior as cargas elétricas, que surgiram com o processo de eletrização, são transferidas para a superfície interna do metal, sendo então distribuídas para toda a superfície da esfera metálica, ficando carregada de cargas elétricas. Se durante o funcionamento do gerador ao aproximar o dedo ou um objeto de metal perceberemos leves descargas elétricas que ocorrem em razão da diferença de potencial (ddp).
(figura2)Tipo de equipamento que foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison Van de Graaff.
A figura 2 ilustra o tipo de equipamento que foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison Van de Graaff (1901–1967) que, motivado por uma conferência que assistira de Marie Curie, passou a se dedicar a pesquisas no campo da Física Atômica. Uma das conseqüências destes estudos é a construção do gerador que leva seu nome, o qual teve aplicação direta em várias áreas do conhecimento como na medicina e na indústria.
Distribuição das Cargas 
Um condutor eletrizado e em equilíbrio eletrostático possui além dos prótons e elétrons que normalmente se neutralizam, um excesso de cargas elétricas positivas ou negativas. Como as cargas em excesso são de mesmo sinal, elas se repelem, tendendo a afastar-se o mais possível. O seu maior afastamento, sem que as cargas saiam do condutor, implica sua distribuição na superfície externa do mesmo. Portanto, as cargas elétricas em excesso de um condutor em equilíbrio eletrostático distribuem-se na superfície externa domesmo.
As cargas em excesso distribuem-se pela superfície externa do condutor.
Material Isolante
São materiais que possuem grande dificuldade em ceder ou receber elétrons livres. Tal fato ocorre porque na última camada dos átomos que compõem o material, chamada de camada de valência, os elétrons estão fortemente ligados ao átomo.
Material Condutor
São os materiais que possuem muita facilidade em ceder e receber elétrons, pois em sua camada de valência os elétrons têm uma fraca ligação com átomo. Assim como existe os condutores e isolantes, existe também um meio termo entre eles que são os chamados semicondutores. Esse tipo de material, como o silício (Si) e o germânio (Ge),é muito utilizado na indústria eletrônica.
Processos de eletrização
Eletrização por atrito:
Como o próprio nome diz, atritando-se, ou melhor, colocando-se dois corpos constituídos de substâncias diferentes e, inicialmente, neutros em contato, um deles cede elétrons, enquanto o outro recebe. Ao final, os dois corpos estarão eletrizados e com cargas elétricas opostas.
Eletrização por contato:
Dizemos que a eletrização por contato é o processo em que um corpo eletrizado é colocado em contato com um corpo neutro. De preferência, devem ser usados dois corpos condutores de eletricidade.
Eletrização por indução:
Dizemos que a indução eletrostática é o fenômeno de separação de cargas elétricas de sinais contrários em um mesmo corpo. Portanto, esse tipo de eletrização pode ocorrer apenas pela aproximação entre um corpo eletrizado e um corpo neutro, sem que entre eles aconteça qualquer tipo de contato.
Eletroscópio de folhas
O eletroscópio de folhas é um instrumento que consiste basicamente em um tubo que apresenta uma haste condutora com duas folhas metálicas e uma esfera metálica. Quando aproximamos um corpo eletrizado da esfera, essas folhas metálicas repelem-se, demonstrando a existência de carga elétrica.
Metodologia
Neste experimento usamos os seguintes materiais: usamos o gerador de Van de Graaff, esfera auxiliadora,1 folha de alumínio,1 eletrodo com gancho,1 conexão elétrica com pinos jacaré .Na primeira parte de montagem fixamos o eletrodo com gancho na parte superior da esfera do gerador,utilizamos uma tira de folha de alumínio dobrada na haste do eletroscópio. 
Na segunda parte do experimento colocamos a esfera condutora em cima do balcão e a ligamos por meio das conexões elétricas com pinos de jacaré, colocamos uma lâmina de alumínio presa na parte externa da cuba e outra na parte interna .
Resultados
Na primeira parte do experimento ligamos o gerador e percebemos que a folha de papel alumínio parecia separar- se uma da outra, afastando-se também da esfera cilíndrica, ela adquiriu uma determinada carga. A carga gerada na esfera é negativa, pois a roldana tende a perder elétrons para a esfera. Com isso, pode-se determinar a carga elétrica, porém, não é possível quantificar a carga. Estando o papel alumínio dobrado ao meio, pertencem ao mesmo corpo, logo, recebem a mesma carga - negativa. Uma vez que possuem a mesma polaridade, repelem- se; segundo a lei de columb. O campo elétrico é carregado positivamente, pois, a força se orienta na direção do vetor do campo elétrico - conforme a Lei de Gauss. Comprovamos isto, ao observar o afastamento do papel alumínio da esfera cilíndrica. Quando o bastão é encostado, a esfera é descarregada e o papel volta à posição normal gradativamente.
Na segunda parte do experimento colocamos a esfera condutora sob o balcão e a ligamos por meio das conexões elétricas com pinos de jacaré. Prendemos uma lâmina de alumínio na parte externa da esfera e outra na parte interna. Notamos que a fita da parte externa levanta-se devido à mesma reação detalhada na primeira parte do experimento. Quando aproximou-se o bastão eletrizado da esfera condutora, a lâmina de alumínio do eletroscópio (parte externa) se abre, pois o corpo eletrizado induz na esfera condutora . Já, com a lâmina que fora fixada na parte interna da cuba nenhum tipo de reação ocorreu. Fenômeno conhecido como blindagem eletrostática - o excesso de cargas em um condutor distribui-se uniformemente em sua superfície e o campo elétrico em seu interior fica nulo.
Conclusão
Nesse experimento os processos de eletrização por atrito, contato e indução foram realizados com a utilização do gerador e eletroscópio, possibilitando observar: os princípios da eletrostática; como o campo e força elétrica influenciam a carga; como a distribuição de cargas funciona; a influência da geometria do corpo na distribuição de cargas - onde um condutor, oco ou maciço, tem seu interior com campo elétrico nulo, blindado. Comprovando as teorias da Lei de Gauss e Lei de Coulomb na prática.