FísicaExp3_Rel2 - Campo Elétrico

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CAMPUS PRAÇA IX
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA 
CONFIGURAÇÕES DAS LINHAS DE CAMPOS ELÉTRICAS EM UM ELETRODO RETO
Autores:
Victor Couto Alves – 201301089991
Wagner Reis - 201301755834
Turma: 3027
Professor: Jorge Antunes Mattos
Rio de Janeiro
24/09/2014
RESUMO
O presente relatório aborda a demonstração prática da representação das linhas de campos elétricas em um eletrodo reto. Verificam-se as diferentes configurações das linhas de campo elétrico entre corpos carregados eletricamente. A demonstração do fenômeno é estabelecida a partir da geração de tensão fornecida pelo gerador de Van de Graff que é fornecida a eletrodos condutores retos. Um recipiente de vidro contendo certa quantidade de óleo de ricino com farelo de milho adicionados à superfície são submetidos a um campo elétrico que permite a visualização das linhas de campo. As variações da intensidade do campo são observadas conforme as diferentes combinações entre os componentes condutores geometricamente distintos. Observa-se o fenômeno da condução elétrica, dos componentes adicionados ao recipiente, devido ao alinhamento dos grãos com o campo elétrico.
INTRODUÇÃO
A finalidade desse experimento é de demonstrar visualmente a existência das linhas de força através do mapeamento de campo elétrico que é visualizado com a polarização do farelo de milho adicionado ao líquido isolante. Objetiva-se também interpretar as regiões onde o campo elétrico se apresenta com maior ou menor intensidade. Busca-se entender a ausência de campo elétrico nas regiões internas aos anéis condutores.
DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
POTENCIAL ELÉTRICO
Imaginemos um campo elétrico gerado por uma carga Q, ao ser colocada um carga de prova q em seu espaço de atuação percebemos que, conforme a combinação de sinais entre as duas cargas, esta carga q, será atraída ou repelida, adquirindo movimento e consequentemente energia cinética.
Para que um corpo adquira energia cinética é necessário que haja uma energia potencial armazenada de alguma forma. Quando esta energia está ligada à atuação de um campo elétrico, é chamada Energia Potencial Elétrica ou Eletrostática, simbolizada por .
										(1) 
A unidade usada para a  é o joule (J).
Pode-se dizer que a carga geradora produz um campo elétrico que pode ser descrito por uma grandeza chamada potencial elétrico (ou eletrostático).
De forma análoga ao Campo Elétrico, o potencial pode ser descrito como o quociente entre a energia potencial elétrica e a carga de prova q. Ou seja: 
Logo:
								(2)
LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO
Podemos representar o campo elétrico traçando linhas que indicam a sua direção. As linhas de campo elétrico, introduzidas por Faraday, são também conhecidas como linhas de força. Em qualquer ponto o campo elétrico, é tangente à linha. A figura abaixo mostra que para uma carga pontual positiva o campo elétrico aponta radialmente para fora, como mostram as linhas de força. No caso de uma carga pontual negativa as linhas de força convergem para o ponto aonde se encontra a carga.
Figura 1 - Linhas de Força
Observe como a representação do campo elétrico em termos de linhas de força é útil. Por exemplo, a medida que nos afastamos da carga pontual positiva as linhas de força estarão cada vez mais afastadas, mostrando que o campo vai ficando cada vez mais fraco. Considere uma esfera de raio r centrada em torno de uma carga pontual. Se N linhas de força emergem da carga, o número de linhas de força por unidade de área que atravessarão a superfície da esfera é N/πr2. Assim, a densidade de linhas decresce com a distância com 1/r2, que é o mesmo comportamento do campo elétrico. As representações abaixo mostram o campo elétrico em termos de linhas de força respectivamente para duas cargas iguais e positivas e para um dipolo elétrico. É muito intuitiva a construção de tal representação baseada na justaposição das representações em termos das linhas de força de cada carga isoladamente. É muito instrutivo resumir em um conjunto de regras a serem seguidas na representação do campo elétrico de um conjunto de cargas elétricas pontuais:
As linhas de campo elétrico começam nas cargas positivas (ou no infinito) e terminam nas cargas negativas (ou no infinito);
As linhas de campo são traçadas simetricamente entrando ou saindo de uma carga isolada;
O número de linhas de campo deixando uma carga positiva ou entrando em uma carga negativa é proporcionais à magnitude da carga;
A densidade de linhas de campo (o número de linhas por unidade de área perpendicular às linhas) em qualquer ponto é proporcional à magnitude do campo elétrico naquele ponto;
A grandes distâncias de um conjunto de cargas, as linhas de campo são igualmente espaçadas e radiais, como se elas se originassem de uma carga pontual de carga líquida igual à do conjunto;
Linhas de campo resultante não se cruzam.
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Figura 2 - (a) Cargas iguais e positivas e (b) cargas iguais e opostas
Dizemos que um campo elétrico é uniforme em uma região quando suas linhas de força são paralelas e igualmente espaçadas umas das outras, o que implica que seu vetor campo elétrico nesta região têm, em todos os pontos, mesma intensidade, direção e sentido. Uma forma comum de se obter um campo elétrico uniforme é utilizando duas placas condutoras planas e iguais. Se as placas forem postas paralelamente, tendo cargas de mesma intensidade, mas de sinal oposto, o campo elétrico gerado entre elas será uniforme conforme ilustração ao lado.
DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL
Um gerador eletrostático do tipo Van der Graaff;
Uma cuba projetável;
Dois eletrodos retos;
Uma placa de Petri;
Duas conexões com pinos banana;
Pó de milho granulado;
Óleo de rícino;
Um retroprojetor
RESULTADOS E DISCUSSÃO DO RESULTADO
PRIMEIRA ETAPA
Inicialmente dois eletrodos pontuais foram conectados aos cabos elétricos do gerador. Em seguida dois eletrodos retos metálicos foram montadas em contato com os condutores pontuais. Em seguida o recipiente de vidro, com certa quantidade de óleo de rícino foi apoiado sobre o conjunto metálico. Posteriormente foi adicionado, à superfície do óleo, farelo de milho granulado. Após a preparação iniciamos, a primeira fase com a partida do gerador eletrostático de Van Der Graff. Observou-se que as linhas de campo elétrico que se formaram entre as placas, ficaram paralelas e espaçadas igualmente uma da outra formando um campo elétrico uniforme conforme configuração abaixo.
Figura 4 – Primeira etapa do experimento
SEGUNDA ETAPA
No segundo experimento foram retiradas as placas paralelos ficando somente eletrodos em forma de cargas pontuais carregados com sinais opostos. Nesse novo sistema houve a interação entre as cargas positivas e negativas. Formando-se uma nova configuração nas linhas de campo elétrico que resultou em contínuas curvas nos grãos de fubá não revelando um campo elétrico uniforme. Neste modelo verificou-se uma maior intensidade de campo elétrico localizada em área próxima aos eletrodos. Tal constatação foi percebida pela maior concentração das linhas de força naquela região. 
Figura 5 – Campo elétrico com cargas opostas
TERCEIRA ETAPA
Nesta fase uma carga pontual magnética foi montada no centro de um disco circular metálico carregado eletricamente. Ao acionarmos o gerador de tensão observou-se que as linhas de campo se concentraram perpendicularmente à superfície do anel em sentido de repulsão. Não houve configuração campo elétrico na área interna do anel.
Figura 6 – Terceira etapa do experimento
QUARTA ETAPA
Em outro momento montou-se uma configuração composta por uma placa paralela e um eletrodo circular. Após ligarmos o gerador eletrostático, verificou-se que as linhas de campo elétrico se configuraram de forma elíptica na área próxima ao corpo circular. Porém nas proximidades do eletrodo reto as linhas de campo se apresentam perpendiculares e uniformes.
QUINTA ETAPANesta nova configuração efetuou-se a montagem de um anel metálico em entre as duas barras paralelas. Ao ligarmos o gerador de Van de Graff observou-se um centelhamento entre as barras e o anel. Tal fenômeno foi verificado devido à proximidade em relação aos eletrodos paralelos. Pois quanto menor a distância entre as cargas, maior o campo elétrico entre elas. Configurou-se também a quebra da barreira dielétrica do ar, ou seja, a perda da capacidade de isolamento em relação às descargas elétricas. O campo elétrico no interior do anel metálico é nulo pelo fato deste condutor estar em equilíbrio eletrostático. 
 Como estamos tratando de uma superfície oca as cargas são distribuídas pela superfície externa. Visto que as cargas se repelem, tenderão a se afastar o mais possível umas das outras, concentrando-se na periferia. 
Figura 8 – Quinta etapa do experimento
SEXTA ETAPA
Nesta nova fase, dois anéis metálicos de diâmetros diferentes foram montados de forma concêntrica e com uma carga pontual magnética no centro dos anéis, conforme configuração abaixo. Ao ligarmos o gerador eletrostático de Van de Graff observou-se que as linhas de campo mantiveram uma configuração de repulsão e perpendicular em relação ao diâmetro externo do anel maior. Verificou-se que no interior dos anéis havia um campo elétrico nulo já que não houve formação de linhas de campo. Verificou-se que qualquer excesso de carga colocado no interior do condutor em equilíbrio eletrostático, move-se inteiramente para superfície externa. Deste modo toda a carga elétrica ficou concentrada na área externa ao maior anel.
 
Figura 9
SÉTIMA ETAPA
Nesta fase a extremidade de uma ponteira metálica conectada a um dos condutores elétricos do gerador foi inserido no interior do recipiente contendo óleo de rícino e farelo de milho. Ao ligarmos o equipamento, visualizaram-se o alinhamento das linhas de campo apontando para fora da carga. Ressaltando-se que as sementes são corpos neutros, porém o campo elétrico produziu uma polarização das sementes ocasionando um ligeiro deslocamento das cargas no interior das moléculas da semente conforme ocorrido nos experimentos anteriores. 
Figura 10
CONCLUSÃO
Através da integração entre conceito teórico e experimento laboratorial, constatou-se que as linhas de campo entre duas cargas elétricas distintas sempre se dirigem de um corpo positivamente carregado para um corpo negativamente carregado, sempre começam ou terminam perpendicularmente às superfícies carregadas e nunca se interceptam. Verificou-se que o campo elétrico produzido entre placas paralelas é bastante uniforme. Verificou-se a perda se isolação elétrica do ar constatado pela visualização da presença do arco elétrico entre os eletrodos geometricamente diferentes e carregados. Conclui-se também que toda carga elétrica de um condutor se concentra em sua superfície.
Constatou-se a quebra da rigidez dielétrica do recipiente de vidro do óleo dielétrico quando passaram a conduzir eletricidade. 
Verificou-se que as linhas de campo produziram a polarização das sementes que por sua vez se alinharam ao campo indicando o sentido e a direção. Concluiu-se que o campo elétrico é mais fraco quando as distâncias entre as linhas de campo são maiores.
BIBLIOGRAFIA
YOUNG, Hugh D; FREEDMAN Roger A. FÍsica II : Termodinâmica e Ondas. 12 ed. São Paulo: Pearson, 2011. 
GUSSOW Milton. Eletricidade Básica : 12 ed. Porto Alegre: Bookman, 2009. 
Só Física. Disponível em: 
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica.php. 
Acesso em 02 novembro 2013.
HALLIDAY, D., Resnick, R. Walker, J - Fundamentos de Física 3 – Tradução BIASI Ronaldo Sérgio de, - Rio de Janeiro: Livros técnicos e Científicos Editora, 7a Edição, 2007.
Figura 3 - Campo elétrico uniforme
Figura 7 - Placa paralela e eletrodo circular
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