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0 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL CAMPUS DO SERTÃO - EIXO DAS TECNOLOGIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ANANDA SOUZA DOS SANTOS JOSÉ ULISSES DE OLIVEIRA CUBA ELETROSTÁTICA: CARGA, CAMPO E POTENCIAL ELÉTRICO DELMIRO GOUVEIA - ALAGOAS MARÇO DE 2017 1 ANANDA SOUZA DOS SANTOS JOSÉ ULISSES DE OLIVEIRA CUBA ELETROSTÁTICA: CARGA, CAMPO E POTENCIAL ELÉTRICO DELMIRO GOUVEIA – ALAGOAS MARÇO DE 2017 Primeiro relatório apresentado à disciplina de Laboratório 2 de Física, com requisito de nota para a composição de avaliação da 1ª unidade do semestre letivo 2016.2 dos cursos de Engenharia Civil e Engenharia de Produção. Professor orientador: Cícero Rita da Silva. 2 SUMÁRIO 1. Introdução Geral - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 03 2. Objetivos Gerais - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 04 3. Materiais utilizados - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 05 4. Fundamentação teórica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 06 4.1 Lei de Coulomb - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 06 4.2 Campo Elétrico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 07 4.3 Energia Potencial Elétrica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 07 4.4 Potencial Elétrico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 08 4.5 Superfícies Equipotenciais - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 09 4.6 Procedimento Teórico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 09 5. Procedimentos experimentais - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 12 5.1 Campo Uniforme - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 12 5.2 Procedimento após coleta de dados experimentais - - - - - - - - - - - 12 6. Resultados e discussões - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14 6.1 Respostas às questões propostas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14 6.2 Determinação dos valores médios dos campos elétricos entre as superfícies equipotenciais selecionadas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14 6.3 Mapeamento das superfícies equipotenciais - - - - - - - - - - - - - - - - 15 7. Considerações finais - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17 8. Referências - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 18 9. Anexos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 3 1. INTRODUÇÃO GERAL O presente trabalho tem como estudo o conceito de superfície equipotencial, essa pode ser formada pela ligação de pontos vizinhos que possuem o mesmo potencial elétrico, podendo ser uma superfície imaginária ou uma superfície real. Procurando certas posições com o auxílio das sondas de um voltímetro mergulhadas na água da cuba, e usando-se de um papel milimetrado, foram encontrados pontos coordenados que possuíam o mesmo potencial elétrico, para assim serem unidos e obter-se uma visualização de algumas superfícies equipotenciais presentes na cuba, analisando dessa maneira sua definição. 4 2. OBJETIVOS GERAIS • Fundamentar o conceito de carga elétrica; • Trabalhar com os conceitos de campo e potencial elétricos; • Reconhecer o conceito de superfícies equipotenciais. 5 3. MATERIAIS UTILIZADOS • Uma fonte de tensão CC – com tensões entre 19 e 21 Volts (conectores do tipo jacaré); • Um multímetro para medidas de diferenças de potencial elétrico (adequado se uma das pontas de prova tiver garra jacaré); • Uma cuba de plástico transparente; • Dois eletrodos retilíneos que ficam submersos na cuba de vidro (duas hastes condutoras); • Um eletrodo circular e uma haste fina para posicionamento vertical; • Água não destilada (água de torneira); • Papel milimetrado. 6 4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Um dos objetivos da física é identificar as forças básicas da natureza. Um segundo objetivo é determinar se uma força é conservativa, ou seja, se pode ser associada a uma energia potencial. A razão para associar a energia potencial a uma força é que isso permite aplicar o princípio ada conservação da energia mecânica a sistemas fechados que envolvem força. 4.1 Lei de Coulomb Duas partículas carregadas exercem forças uma sobre a outra. Se as cargas das partículas têm o mesmo sinal, as partículas se repelem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a afastá-las. Se as cargas das partículas têm sinais opostos, as partículas se atraem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a aproximá-las. Esta força de repulsão ou atração associada à carga elétrica dos objetos é chamada de força eletrostática. A lei que permite calcular a força exercida por partículas carregadas é chamada Lei de Coulomb. �⃗� = 𝑘 𝑞1𝑞2 𝑟2 �̂� Onde �̂� é um vetor unitário na direção da reta que liga as duas partículas, r é a distância entre elas e k é chamada de constante eletrostática. (1) Figura 1 – Cargas de mesmo sinal se repelem e com sinais opostos se atraem 7 4.2 Campo Elétrico O campo elétrico é um campo vetorial, constituído por uma distribuição de vetores, um para cada ponto de uma região em torno de um objeto eletricamente carregado. É definido pela equação: �⃗⃗�= �⃗� 𝑞0 Onde �⃗� é a direção da força eletrostática que age sobre a carga de prova ao longo do campo elétrico �⃗⃗�. 4.3 Energia Potencial Elétrica Quando uma força eletrostática age entre duas ou mais partículas de um sistema podemos associar uma energia potencial elétrica U ao sistema. Se há variação de um estado inicial 𝑖 para um estado final 𝑓, a força eletrostática exerce um trabalho 𝑊 sobre as partículas. De acordo com a variação da energia mecânica: ∆𝑈 = 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖 = −𝑊 (3) Figura 2 – Linhas de campo elétrico (2) 8 Como acontece com qualquer força conservativa, o trabalho realizado pela força eletrostática é independente da trajetória. 4.4 Potencial Elétrico A energia potencial de uma partícula carregada na presença de um campo elétrico depende do valor da carga. Por outro lado, a energia potencial por unidade de carga associada a um campo elétrico possui um valor único em cada ponto do espaço. A energia potencial por unidade de carga, que pode ser representada como 𝑈/𝑞, não depende da carga 𝑞 da partícula e é apenas uma característica apenas do campo elétrico na região do espaço que está sendo investigada. A energia potencial por unidade de carga é chamada de potencial elétrico e representada por 𝑉: 𝑉 = 𝑈 𝑞 O potencial elétrico é uma grandeza escalar. A diferença de potencial elétrico (ddp) ∆𝑉 entre dois pontos 𝑖 e 𝑓 é igual à diferença entre os potenciais nos dois pontos: ∆𝑉 = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 = 𝑈𝑓 𝑞− 𝑈𝑖 𝑞 = ∆𝑈 𝑞 Substituindo ∆𝑈 de acordo com a equação (3): ∆𝑉 = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 = − 𝑊 𝑞 A diferença de potencial entre dois pontos é, portanto, o negativo do trabalho realizado pela força eletrostática para deslocar uma carga unitária de um ponto para o outro. Se tomarmos 𝑈𝑖 = 0 no infinito como referência para a energia potencial, o potencial elétrico 𝑉 no infinito também será nulo. Logo, de acordo com a equação (6): 𝑉 = − 𝑊∞ 𝑞 (4) (5) (6) (7) 9 Onde 𝑊∞ é o trabalho executado pelo campo elétrico sobre uma partícula carregada quando a partícula se desloca do infinito para o ponto 𝑓. A unidade de potencial no SI é o joule por coulomb (J/C), dado pelo volt (V). Assim, 1 V (𝑣𝑜𝑙𝑡) = 1 J/C (𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏) 4.5 Superfícies Equipotenciais Pontos vizinhos que possuem o mesmo potencial elétrico formam uma superfície equipotencial. O trabalho realizado sobre uma carga de prova para deslocá-la de uma superfície equipotencial para outra não da localização dos pontos inicial e final nem da trajetória entre os pontos. O campo elétrico é sempre perpendicular à superfície equipotencial correspondente. Figura 3 – Linhas de campo elétrico e seções de superfícies equipotenciais 4.6 Procedimento teórico Para expressar a interação entre uma carga Q e uma carga de prova q puntiforme, pode-se utilizar a Lei de Coulomb escrita da seguinte maneira. �⃗� = 𝑞�⃗⃗� (8) 10 Onde, �⃗⃗� = 𝐾 𝑄 𝑟3 �̂� Sendo, 𝐾 = 1 4𝜋𝜀 A diferença de potencial Vab = Va− Vb é dada por 𝑉𝑎𝑏 = ∫ �⃗⃗� 𝑑𝑙 𝑏 𝑎 , (11) também chamada “voltagem” entre os pontos a representa a soma de todos os produtos internos entre �⃗⃗� e os deslocamentos infinitesimais dl⃗ do percurso. O Potencial 𝑉𝑎 em um ponto a uma distância 𝑟 da carga puntiforme 𝑄 pode ser 𝑉𝑎 = 𝐾 𝑄 𝑟 (12) A equação que relaciona o campo elétrico com a variação do potencial no espaço é dada por: A equação que relaciona o campo elétrico com a variação do potencial no espaço é dada por: �⃗⃗� = �⃗⃗�𝑉 (13) Portanto, podemos medir indiretamente o campo elétrico se soubermos a distribuição do potencial pelo espaço. Em especial, no caso de placas, paralelas entre si e separadas por uma distância 𝑑, eletrizadas com cargas de mesmo módulo, porém com sinais contrários, o campo será uniforme e a integral nos fornece: 𝑉𝑎𝑏 = 𝐸𝑑 (14) (9) (10) 11 Como será o campo elétrico se colocarmos a ponta de um fio metálico próximo a um eletrodo retilíneo e uniformemente carregado? A Figura 4 é uma ilustração desta configuração. Observe que as superfícies equipotenciais formam uma figura "parecida com uma elipse". As superfícies equipotenciais são mais 'densas' na região entre os eletrodos e menos densas na região fora dos eletrodos. Ligando estas superfícies por linhas perpendiculares às equipotenciais, é possível obter a configuração das linhas de campo elétrico. Usando a equação 𝑉𝑎𝑏 = 𝐸𝑑, obtém-se o campo elétrico médio entre duas superfícies equipotenciais a e b. Figura 4 – Configuração de superfícies equipotenciais e linhas de campo elétrico (setas sobre as linhas tracejadas), para um eletrodo pontual e uma distribuição retilínea e uniforme de cargas. 12 5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 5.1 Campo Uniforme 1- Conecte os eletrodos circulares nas extremidades da cuba; 2- Posicione uma folha de papel milimetrado abaixo da cuba, tal que os eletrodos estejam paralelos às linhas demarcadas; 3- Conecte os terminais dos eletrodos aos terminais da fonte de tensão; 4- Desenhe em uma segunda folha de papel milimetrado um esquema em escala 1:1 da montagem, com atenção na posição relativa, comprimento e espessura dos eletrodos; 5- Coloque água não destilada na cuba até fechar contato entre os eletrodos; 6- Conecte a ponta de prova do multímetro indicada por “COM” em contato com o eletrodo que estiver ligado ao negativo da fonte. Suas medidas de voltagem (ddp) serão em relação ao potencial desse ponto; 7- Ligue o multímetro na escala de 200 Vcc (OBS: Estes valores são apenas o potencial nominal; a voltagem a ser considerada deve ser medida); 8- Ligue o voltímetro e meça a ddp entre os terminais, registrando esse valor; 9- O primeiro ponto de medida (ponto de referência do potencial) deve estar sobre uma reta perpendicular à reta que passa pelo centro dos dois eletrodos, precisamente do centro. O valor obtido para este potencial deve ser anotado. Este ponto dará origem à primeira superfície equipotencial; para isto, os demais pontos devem ser encontrados de forma a terem o mesmo potencial do primeiro. As demais superfícies equipotenciais serão construídas de forma análoga; 10- Os pontos experimentais devem ser anotados no papel milimetrado externo, a fim de construir as superfícies equipotenciais; 11- Escolha as superfícies equipotenciais com 0V, 2V, 5V e 7V; 12- Para cada superfície equipotencial, marque 5 pontos coordenados (X,Y). 5.2 Procedimento após a coleta de dados experimentais 13- Ligue por uma curva média, no papel externo, os pontos com mesmo potencial; 13 14- Desenhe um conjunto de linhas ortogonais (tracejadas para diferenciar das equipotenciais) às equipotenciais. OBS: Os vetores de campo elétrico estão sobre as linhas tracejadas; 15- Explique por que as linhas de campo são ortogonais às superfícies equipotenciais; 16- Desenhe vetores de campo elétrico, colineares com as linhas tracejadas e anote os vetores calculados ao lado do vetor, como na Figura (1). Estes cálculos devem ser feitos usando a equação |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|. ∆𝑑 para o valor médio do campo elétrico entre duas superfícies equipotenciais 𝑎 e 𝑏. Realize estes cálculos sobre 5 linhas de campo elétrico desenhadas; 17- Por sua análise, o campo elétrico pode ser considerado uniforme? Explique tendo como base as figuras obtidas do campo elétrico e dos vetores calculados no item 14. 14 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES 6.1 Respostas às questões propostas a. Explique porque as linhas de campo elétrico são ortogonais às superfícies equipotenciais. Para uma superfície ser considerada equipotencial, o trabalho deve ser nulo, W=0, isso só ocorre se as linhas do campo elétrico forem obrigatoriamente perpendiculares à superfície, dessa forma, ortogonais. Caso contrário, haveria deslocamento da carga e, consequentemente, trabalho. b. Por sua análise, o campo elétrico pode ser considerado uniforme? Um campo elétrico é uniforme em uma região quando suas linhas de força são paralelas e igualmente espaçadas umas das outras, logo, seu vetor campo elétrico tem, nesta região, em todos os pontos, mesma intensidade, direção e sentido. Verificado que o campo elétrico atende à estas condições, é considerado uniforme. 6.2 Determinação dos valores médios dos campos elétricos entre as superfícies equipotenciais selecionadas A ddp medida entre os terminais foi de ∆𝑉 = 19,44𝑉. A partir da equação (14) é possível definir o valor do campo elétrico entre as superfícies: (Todos os cálculos estão em ANEXO) |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 Para o campo entre as superfícies com potencial de 0V e 2V: |𝑬𝒂𝒃|= 𝟓𝟔, 𝟑𝟒 𝑵/𝑪 Para o campo entre as superfícies com potencial de 2V e 3V: 15 |𝑬𝒂𝒃| = 𝟑𝟔, 𝟕𝟔 𝑵/𝑪 Para o campo entre as superfícies com potencial de 3V e 5V: |𝑬𝒂𝒃| = 𝟑𝟐, 𝟗 𝑵/𝑪 Para o campo entre as superfícies com potencial de 5V e 7V: |𝑬𝒂𝒃| = 𝟔𝟖 𝑵/𝑪 Para o campo entre as superfícies com potencial de 2V e 7V: |𝑬𝒂𝒃| = 𝟕𝟗, 𝟔𝟐 𝑵/𝑪 6.3 Mapeamento das superfícies equipotenciais Após o procedimento de montagem da cuba elétrica sob o papel milimetrado, fixou-se uma das pontas do multímetro com o intuito de obter uma diferença de potencial (ddp) de zero volt (0V), exatamente sobre o eixo vertical central, a ponta fixada ficou sobre a coordenada (0; 6,7) e a outra ponta ficou fixada na coordenada (0;0) com o propósito de estabelecer o ponto de referência do potencial. Abaixo segue a tabela com as coordenadas encontradas nas superfícies equipotenciais. As coordenadas estão em centímetros. Coordenadas (X, Y) Potencial 0V 2V 3V 5V 7V 1º 0 0 1,9 0 2,9 0 4,3 0 5,4 0 2º 0 3 1,9 2,5 3 2,8 4,6 3,5 7,4 2,6 3º 0 6 2,2 5,4 3,3 5,8 6,5 5,4 10 4 4º 0 -3 2 -1,7 3,1 -2,4 5,5 -4,2 8,1 -3,4 5º 0 -6 2,3 -4,1 3,5 -4,7 6,1 -5,3 9,9 -4,4 Tabela 1 – Coordenadas dos potenciais elétricos para determinação de superfícies equipotenciais A partir da coleta de dados da Tabela 1, foi plotado o Gráfico 1 definindo as superfícies equipotenciais. Como o eixo y foi dado como a superfície com potencial 𝑉 = 0V, os potenciais negativos foram espelhados em relação a este. 16 Gráfico 1 – Superfícies equipotenciais. -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -15 -10 -5 0 5 10 15 0V 2V 3V 5V 7V -2V -3V -5V -7V 17 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com o experimento, foi confirmado que o campo elétrico é uniforme para o caso de dois polos circulares, foi visto que as superfícies equipotenciais são formadas de maneira concêntricas em relação aos eletrodos formando assim, uma família de circunferências que aumenta de tamanho à medida que se afasta. Por meio da verificação dos resultados obtidos, nota-se que o experimento atingiu o objetivo proposto para o estudo, de forma que por meio de uma configuração simples conseguiu-se visualizar claramente a formação dos campos elétricos pelas superfícies equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado. Dessas observações, entende- se também a sua composição e fundamentos, complementando a teoria estudada e comprovando fatos. 18 8. REFERÊNCIAS • HALLIDAY, D. Fundamentos de Física – 8ª edição, volume 3: Eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biase. Rio de Janeiro. LTC, 2009 • SILVA, C. R. Notas das aulas de Laboratório 2 de Física. Engenharia Civil e Engenharia de Produção. Universidade Federal de Alagoas – Campus do Sertão, abril de 2017. • DE LIMA, M. F. Notas das aulas de Física 3. Engenharia Civil e Engenharia de Produção. Universidade Federal de Alagoas – Campus do Sertão, abril de 2017. 19 9. ANEXOS Anexo 1 – Posicionamento da cuba Anexo 2 – Determinação da Superfície de potencial 0V 20 Para o campo entre as superfícies com potencial de 0V e 2V: V= 0V → (0 ; 3) cm V= 2V → (1,9 ; 0) cm |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 Encontrando ∆𝑑 por distância entre pontos: ∆𝑑 = √(0 − 1,9)2 + (3 − 0)2 ∆𝑑 = 3,55 𝑐𝑚 ×10−2𝑚/𝑐𝑚 ∆𝑑 = 0,0355 𝑚 |𝐸𝑎𝑏| = |2 − 0| 0,0355 |𝐸𝑎𝑏| = 2 0,0355 |𝐄𝐚𝐛| = 𝟓𝟔, 𝟑𝟒 𝐍/𝐂 Para o campo entre as superfícies com potencial de 2V e 3V: V= 2V → (2,2 ; 5,4) cm V= 3V → (3 ; 2,8) cm |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 Encontrando ∆𝑑 por distância entre pontos: ∆𝑑 = √(2,2 − 3)2 + (5,4 − 2,8)2 ∆𝑑 = 2,72 𝑐𝑚 ×10−2𝑚/𝑐𝑚 ∆𝑑 = 0,0272 𝑚 21 |𝐸𝑎𝑏| = |3 − 2| 0,0272 |𝐸𝑎𝑏| = 1 0,0272 |𝐄𝐚𝐛| = 𝟑𝟔, 𝟕𝟔 𝐍/𝐂 Para o campo entre as superfícies com potencial de 3V e 5V: V= 3V → (3,1 ; -2,4) cm V= 5V → (4,6 ; 3,5) cm |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 Encontrando ∆𝑑 por distância entre pontos: ∆𝑑 = √(3,1 − 4,6)2 + (−2,4 − 3,5)2 ∆𝑑 = 6,08 𝑐𝑚 ×10−2𝑚/𝑐𝑚 ∆𝑑 = 0,0608 𝑚 |𝐸𝑎𝑏| = |5 − 3| 0,0608 |𝐸𝑎𝑏| = 2 0,0608 |𝐄𝐚𝐛| = 𝟑𝟐, 𝟗 𝐍/𝐂 Para o campo entre as superfícies com potencial de 5V e 7V: V= 5V → (6,5 ; 5,4) cm V= 7V → (7,4 ; 2,6) cm |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 22 Encontrando ∆𝑑 por distância entre pontos: ∆𝑑 = √(6,5 − 7,4)2 + (5,4 − 2,6)2 ∆𝑑 = 2,94 𝑐𝑚 ×10−2𝑚/𝑐𝑚 ∆𝑑 = 0,0294 𝑚 |𝐸𝑎𝑏| = |7 − 5| 0,0294 |𝐸𝑎𝑏| = 2 0,0294 |𝐄𝐚𝐛| = 𝟔𝟖 𝐍/𝐂 Para o campo entre as superfícies com potencial de 2V e 7V: V= 2V → (2,2 ; 5,4) cm V= 7V → (5,4 ; 0) cm |𝑉𝑎𝑏| = |𝐸𝑎𝑏|∆𝑑 |𝐸𝑎𝑏| = |𝑉𝑎𝑏| ∆𝑑 Encontrando ∆𝑑 por distância entre pontos: ∆𝑑 = √(2,2 − 5,4)2 + (5,4 − 0)2 ∆𝑑 = 6,28 𝑐𝑚 ×10−2𝑚/𝑐𝑚 ∆𝑑 = 0,0628 𝑚 |𝐸𝑎𝑏| = |7 − 2| 0,0628 |𝐸𝑎𝑏| = 5 0,0628 |𝐄𝐚𝐛| = 𝟕𝟗, 𝟔𝟐 𝐍/𝐂
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