Relatório de Física Exp - Campo elétrico

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA.
CURSO: QUÍMICA/LICENCIATURA.
DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL
.
CAMPO ELÉTRICO
 ALUNOS:
 
 
 PROFESSORA: 
Maringá, julho de 2016.
Introdução.
O campo elétrico é uma grandeza vetorial, ou seja, possui módulo, direção e sentido, as cargas elétricas que se aproximam dele estão sujeitas as forças de interação (atração ou repulsão). 
Para definir o campo elétrico, utiliza-se uma carga de prova, que é uma carga positiva, com isso é medida a força eletrostática que age sobre ela e define-se o campo elétrico produzido através da equação:
O modulo do campo no ponto onde está localizado a carga de prova é E= F/Q e a orientação do campo vai depender da força que age sobre a carga de prova, de modo que as cargas de mesmo sinal sofrerão repulsão e as cargas de sinais opostos sofrerão atração. A unidade de campo elétrico no SI é Newton por Coulomb (N/C). 
O cientista Michael Faraday, foi quem introduziu a idéia de campos elétricos no séc. XIX.
Em qualquer ponto, a orientação de uma linha de campo retilínea ou a orientação da tangente de uma linha de campo não retilínea é a orientação do campo nesse ponto e as linhas de campo são desenhadas de tal forma que o número de linhas por unidade de área é proporcional ao módulo do campo elétrico, desta forma, nas regiões onde as linhas de campo estão mais próximas o campo elétrico tem valores elevados e onde as linhas estão mais distantes, o campo elétrico tem valores pequenos. 
As linhas de força são uma representação geométrica convencionada para indicar a presença de campos elétricos. Essas linhas tem a mesma orientação do vetor campo elétrico, de forma que campos gerados por cargas positivas apresentam linhas de força divergente (se afastam da carga) e campos gerados por cargas negativas são representados por linhas de força convergentes (aproximam-se da carga). 
A energia potencial de uma partícula carregada na presença de um campo elétrico depende do valor da carga, entretanto, 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 em um ponto do espaço é chamada de potencial elétrico, e é representado pela letra V, ele é uma grandeza escalar e sua unidade no SI é Joule/Coulomb (J/C), mas é representada pela unidade volt (V).
Para descrever o campo elétrico utilizando-se o conceito de potencial, necessita-se saber que o potencial V (x, y, z) em um ponto qualquer no espaço relaciona-se com o campo elétrico (x, y, z) através da seguinte expressão:
A partir da relação entre potencial e a distância entre dois pontos, pode-se calcular a intensidade de um vetor campo elétrico num ponto P: 
Uma superfície que apresenta o mesmo potencial em todos os pontos é chamada de superfície equipotencial. O vetor campo elétrico em qualquer ponto do espaço deve ser perpendicular à superfície equipotencial que passa nesse ponto. A figura abaixo mostra as linhas de campo elétrico e as superfícies equipotenciais para um campo elétrico uniforme (a), uma carga elétrica pontual (b) e um dipolo elétrico (c):
Fonte: HALLIDAY, D.; RESNICK, R.. Fundamentos de Física – Eletromagnetismo, pág 82.
Objetivo
Esta prática tem como objetivo determinar as linhas de campo elétrico das distribuições de carga, e determinar o módulo e a direção do campo elétrico.
 
Parte Experimental.
Materiais
Água de torneira
Anel metálico
Cuba de vidro
Fios
Fita crepe
Gerador de função
Jacarés
Papel milimetrado
Placas metálicas
Pontas de prova
Pontas metálicas
Voltímetro
Métodos
Experimento 1 (campo elétrico devido a um dipolo elétrico): Montou-se o sistema da figura 1 e colocou-se água na cuba ate que as pontas metálicas estivessem ligeiramente mergulhadas. No gerador de função selecionou-se a função do tipo senoidal e regulou-a para a freqüência de 70 Hz. Regulou-se a tensão de saída no gerador de função para 5 V monitorado pelo voltímetro na função AC. 
Delimitou-se em uma folha de papel milimetrado uma superfície 15 cm x15 cm. Anotou-se 7 pontos para cada umas 7 superfícies equipotenciais na tabela 1 e no papel milimetrado e anotou-se no papel milimetrado as localizações dos pólos positivo e negativo.
Com as duas pontas de prova, espaçadas em 1 cm, fez-se uma varredura de 360º em torno dos C, D e E, e determinou-se o ΔVMax. Registrou-se a posição das pontas de prova na tabela 2 e marcou-se no papel milimetrado os mesmos pontos C, D e E da cuba, as posições para ΔVMax e traçou-se a direção do campo elétrico para cada ponto.
Experimento 2 (campo elétrico entre placas metálicas paralelas): Substituiu-se as pontas metálicas por placas metálicas. Delimitou-se em uma folha de papel milimetrado uma superfície 15 cm x 15 cm. Mediu-se a distancia entre as placas metálicas. Anotou-se 3 pontos para cada uma das 3 superfícies equipotenciais na tabela 3 e no papel milimetrado. 
Experimento 3 (campo elétrico no interior de um anel metálico): na configuração para as placas paralelas, inseriu-se um anel metálico entre as placas e determinou-se 5 pontos no interior do anel. Mediu-se a tensão em cada ponto.
Resultados e discussões
Os resultados obtidos para o primeiro experimento são mostrados nas tabelas 1 e 2:
	Tabela 1: Dados obtidos para as superfícies equipotenciais em um dipolo elétrico.
	V1 = 2,35
	V2= 2,68
	V3= 2,83
	V4= 2,98
	X (cm)
	Y (cm)
	X (cm)
	Y (cm)
	X (cm)
	Y (cm)
	X (cm)
	Y (cm)
	2
	7,5
	4,5
	7,5
	6
	7,5
	7,5
	7,5
	1,1
	9,7
	4
	3,9
	5,8
	4,4
	7,5
	1,5
	1,1
	5,3
	4
	11,9
	5,9
	11,4
	7,5
	9
	2
	6,7
	3,5
	1,9
	5,5
	0,8
	7,5
	5,3
	2
	8,7
	3,5
	13,8
	5,5
	14,6
	7,5
	13,2
	2
	7,2
	3
	0,3
	5,4
	0,2
	7,5
	2,1
	2,1
	8,4
	3,3
	15
	5,6
	14,8
	7,8
	14,5
	
	
	
	
	
	
	
	
	V5= 3,10
	 
	V6= 3,33
	 
	V7= 3,61
	 
	
	
	X (cm)
	Y (cm)
	X (cm)
	Y (cm)
	X (cm)
	Y (cm)
	
	
	9
	7,5
	11
	7,5
	13
	7,5
	
	
	9,5
	0,5
	11,5
	11,8
	13,5
	6
	
	
	9,5
	14,8
	11,5
	4,4
	13,5
	9
	
	
	9,6
	0
	12
	3
	13,7
	5,8
	
	
	9,3
	2,4
	12
	14,5
	13,7
	9,6
	
	
	9,1
	10,6
	11,2
	9,6
	14,4
	5
	
	
	9,1
	12,3
	13
	0,1
	14,4
	10,5
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Tabela 2: Dados para medidas com as duas pontas de prova
	
	 
	(x1, y1) (cm)
	(x2, y2) (cm)
	ΔV máx (V)
	
	C
	3,4 ; 7,5
	4,4 ; 7,5
	0,124
	
	D
	2,7 ; 11,8
	3,5 ; 12,2
	0,089
	
	E
	11,6 ; 12,2
	12,6 ; 12,0 
	0,088
	
A partir da tabela 1 traçou-se as superfícies equipotenciais e as 5 linhas de força do campo elétrico. As equipotenciais foram traçadas ligando um conjunto de pontos que possuíam o mesmo valor de potencial, os quais foram determinados utilizando um voltímetro. Após traçar o conjunto de linhas equipotenciais, as linhas de campo foram encontradas a partir de linhas perpendiculares que foram traçadas sobre as mesmas.
Ao fazer a varredura com as duas pontas de prova nos pontos C,D e E, determinou-se o ΔV Max e a partir disso determinou-se a direção do campo elétrico em cada ponto.
A partir dos dados da tabela 2, determinou-se o módulo do campo elétrico em cada ponto a partir da fórmula :
 
Com isso, pode-se dizer que o campo elétrico não é uniforme, pois, os módulos dos campos calculados não são iguais, isso aconteceu porque neste experimento analisamos o campo elétrico em um dipolo elétrico, ou seja, conjunto de cargas iguaise de sinais contrários. O gráfico referente a essa distribuição de cargas é mostrado abaixo:
Observa-se no gráfico que as linhas de campo saem do pólo positivo e chegam ao pólo negativo, portanto a direção do campo está ao longo do eixo x (). A densidade de linhas próximo da linha horizontal entre os pólos é maior, assim conforme as linhas se distanciam do ponto desta região o valor em módulo do campo também decresce, e isto é visível nos valores em módulo calculados nos pontos C, D, e E.
No procedimento 2, mediu-se a distancia entre as placas metálicas e o valor obtido foi de 14,4 cm. Anotou-se 3 pontos para cada superfície equipotencial e registrou-se na tabela abaixo:
	
Tabela 3: Dados obtidos para as superfícies equipotenciais entre as placas paralelas metálicas
	V1 = 1,04
	V2= 2,58
	V3= 3,67
	
	
	X (cm)
	 Y (cm)
	X (cm)
	 Y (cm)
	X (cm)
	 Y (cm)
	
	
	
	2
	3
	2
	7,5
	2
	11
	
	
	
	8,5
	3
	6,9
	7,5
	3,7
	11
	
	
	
	12,9
	3
	13,4
	7,5
	13,6
	11
	
	
	
O gráfico referente a essa distribuição de cargas é mostrado abaixo:
Observa-se no gráfico que as superfícies equipotenciais são paralelas as placas metálicas, isso ocorre porque as linhas de campo elétrico entre as placas são direcionais, saindo da placa carregada positivamente e chegando à placa carregada negativamente. As linhas de campo elétrico são perpendiculares às superfícies equipotenciais. 
A partir dos dados, e sabendo que a fonte foi regulada até 5V (∆Vmáx), calculou-se o módulo do campo elétrico:
Após traçar as linhas equipotenciais e as linhas de campo, determinou-se a direção, o módulo e o sentido do campo elétrico: 
No procedimento 3, adicionou-se um anel metálico entre as placas metálicas e determinou-se 5 pontos no interior do anel, em cada ponto mediu-se o potencial elétrico, os quais são mostrados na tabela abaixo:
	X (cm)
	 Y (cm)
	V (V)
	7
	7
	2,35
	9
	10
	2,35
	10
	7
	2,35
	10
	4
	2,35
	12
	6
	2,35
.
Observou-se que no interior do anel os potenciais foram todos iguais, com isso pode-se dizer que o campo elétrico dentro do anel é nulo, pois:
Como ∆V vale zero, porque não tem diferença de potencial dentro do anel, o campo também é zero, então não existe campo elétrico no interior do anel.
Quando o anel é introduzido entre as placas, são induzidas cargas em sua superfície, sendo que a região mais próxima do pólo positivo fica carregada negativamente, e a parte próxima do pólo negativo fica carregada positivamente.
As superfícies equipotenciais nesse caso, são também paralelas as placas metálicas, porém próximas ao anel sofrem um pequeno desvio na sua trajetória, isso faz com que as linhas de campo elétrico também sofram um pequeno desvio.
Conclusão
Através dos experimentos realizados, concluiu-se foi possível determinar a direção, o módulo e o sentido do campo elétrico nas distribuições de cargas. O experimento permitiu observar a diferença entre campo uniforme e não uniforme, sendo que o primeiro ocorreu quando havia um dipolo elétrico e o segundo quando colocou-se placas metálicas carregadas com sinais opostos. Quando de trata do campo elétrico no interior de um anel metálico, o campo foi nulo, pois não havia diferença de potencial dentro do anel. Concluiu-se também que as superfícies equipotenciais são perpendiculares as linhas de campo elétrico. 
Os experimentos se mostraram satisfatórios e os resultados estão de acordo com a literatura.
Referências Bibliográficas
[1] HALLIDAY, D.; RESNICK, R.. Fundamentos de Física - Eletromagnetismo. 3a ed.. Rio de Janeiro/RJ, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1994, Vol. 3.
 [2] TIPLER, P. A.. Física - Eletricidade e Magnetismo. 3a ed.. Rio de Janeiro - RJ, Editora Guanabara Koogan S.A., 1995, Vol. 3.
[3] https://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_eletrico, acessado em 01/07/2016.
[4] http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/campo/, acessado em 01/07/2016.