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Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Centro Universita´rio Esta´cio Radial de Sa˜o Paulo Engenharia Ambiental e Sanita´ria CCE0479 - FI´SICA EXPERIMENTAL III Prof.: Alexander Luz Sperandio (aluz@lslinux.com.br) Apostila de laborato´rio de Fı´sica III Sa˜o Paulo - SP Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 2 Cronograma de Atividades Relato´rio Entrega Relato´rio 1 - Cargas Ele´tricas 02-03 16-02-2017 Fenoˆmenos eletrosta´ticos Questiona´rio 23-02-2017 Eletrosco´pio de Folhas Questiona´rio Relato´rio 2 - Simulac¸o˜es: O Campo Ele´trico 23-03 02-03-2017 Simulac¸a˜o PHET: Cargas imersas em um Campo Ele´trico Questiona´rio 09-03-2017 Simulac¸a˜o PHET: Hockey por Campo Ele´trico Questiona´rio 16-03-2017 Avaliac¸a˜o de Conceitos Avaliac¸a˜o O Potencial Ele´trico 23-03-2017 Simulac¸a˜o PHET: Cargas imersas em um Campo Ele´trico Questiona´rio Relato´rio 3 - Mapeamento do Campo Ele´trico 20-04 30-03-2017 Mapeamento do Campo Ele´trico atrave´s das linhas equipotenciais 06-04-2017 Mapeamento do Campo Ele´trico atrave´s das linhas equipotenciais 13-04-2017 Ca´lculos para o Mapeamento do Campo Ele´trico e medidas finais 27-04-2017 AV1 Relato´rio 4 - A Lei de Ohm e medidas de Resistores 18-05 04-05-2017 A Lei de Ohm - verificac¸a˜o experimental 11-05-2017 Medidas de Resistores e suas Associac¸o˜es Relato´rio 5 - Experieˆncia de Oersted 01-06 18-05-2017 Observac¸a˜o do experimento de Oersted 25-05-2017 Experieˆncia: O balanc¸o e o Motor Ele´trico Questiona´rio 08-06-2017 AV2 22-06-2017 AV3 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Suma´rio Suma´rio 3 1 Cargas Ele´tricas 5 1.1 Fenoˆmenos eletrosta´ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Eletrosco´pio de folhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Simulac¸o˜es: O Campo Ele´trico 9 2.1 Simulac¸a˜o PHET: Cargas imersas em um Campo Ele´trico . . . . . 9 2.2 Simulac¸a˜o PHET: Hockey por Campo Ele´trico . . . . . . . . . . . 11 2.3 Avaliac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 O potencial ele´trico 17 3.1 Simulac¸a˜o PHET: Superfı´cies equipotenciais . . . . . . . . . . . 17 3.2 Mapeamento do Campo Ele´trico atrave´s das linhas equipotenciais 21 4 A Lei de Ohm e medidas de Resistores 27 4.1 Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Medidas de resistores e associac¸o˜es de resistores . . . . . . . . . 30 5 A Experieˆncia de Oersted 35 5.1 Experieˆncia de Oersted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Apeˆndice 38 A Introduc¸a˜o ao laborato´rio de fı´sica . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 B Erros, propagac¸a˜o de erros e notac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . 39 C Como fazer o Relato´rio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Refereˆncias 45 3 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 4 SUMA´RIO Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Capı´tulo 1 Cargas Ele´tricas 1.1 Fenoˆmenos eletrosta´ticos 1.1.1 Objetivos • Verificar experimentalmente os processos de eletrizac¸a˜o ba´sicos: – atrito – contato – induc¸a˜o 1.1.2 Resumo teo´rico • Processos de eletrizac¸a˜o – Eletrizac¸a˜o por atrito ao atritar dois materiais diferentes e neutros, ambos adquirem a mesma quantidade de carga, pore´m de sinais contra´rios; um transferira´ ele´trons para o outro conforme a se´rie triboele´trica abaixo. – Eletrizac¸a˜o por contato Considere um corpo neutro e outro eletrizado. Ao encostar um no outro e depois separa´-los, o corpo neutro adquire carga de mesmo sinal que a do corpo eletrizado que o tocou; – Eletrizac¸a˜o por induc¸a˜o Considere um corpo neutro e outro eletrizado. Quando aproximamos um do outro, sem tocar, o corpo neutro (induzido) adquire carga de sinal contra´rio a do corpo que o eletrizou (indutor); acontece uma separac¸a˜o de cargas no corpo neutro que volta a ter uma distribuic¸a˜o neutra quando os corpos sa˜o afastados. Se´rie Triboele´trica: Um mesmo objeto podera´ eletrizar-se, por atrito, positiva- mente ou negativamente, dependendo do material com o qual foi atritado. 5 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 6 CAPI´TULO 1. CARGAS ELE´TRICAS Se´rie Triboele´trica vidro mica la˜ madeira papel aˆmbar pla´stico Atritando de baixo para cima temos eletrizac¸a˜o positiva e de cima para baixo temos eletrizac¸a˜o negativa. Atritando esses materiais entre si, verifica-se que os materiais que estiverem mais acima na se´rie, ficara˜o eletrizados positivamente (perdera˜o ele´trons para o outro), quando atritados com qualquer outro que o segue e, ficara´ eletrizado nega- tivamente (recebe ele´trons do outro), ao ser atritado com aqueles que os precedem. Tomemos como exemplo o papel: quando atritado com o canudo de pla´stico, fica eletrizado positivamente, ou seja, o papel doa ele´trons para o canudo. O contra´rio acontece quando o papel e´ atritado com vidro, ele fica eletrizado ne- gativamente, ou seja, rouba ele´trons do vidro. Essa sequ¨eˆncia e´ chamada de tri- boele´trica[1]. 1.1.3 Experieˆncia 1 Atrac¸a˜o entre dois materias • Material utilizado – 1 canudo de pla´stico – papel higieˆnico – papel picado (jornal, revista, etc.) • Procedimento – Corte o papel em pequenos pedac¸os; – Peque o canudo pla´stico e atrite com o papel higieˆnico; – Aproxime o canudo dos pedac¸os de papel, sem toca´-los; 1.1.4 Experieˆncia 2 Repulsa˜o entre dois materiais • Material utilizado – 2 canudos de pla´stico – papel higieˆnico Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 1.2. ELETROSCO´PIO DE FOLHAS 7 – linha de algoda˜o • Procedimento – Amarre um canudo em cada extremidade da linha; suspenda no ar e comprove que eles ficam pro´ximos; – Atrite os canudos, um de cada vez, com o papel higieˆnico e, novamente, suspenda os canudos no ar de forma que fiquem pro´ximos; 1.5 Questiona´rio 1. Na experieˆncia 1, que processos de eletrizac¸a˜o acontecem: (a) entre o canudo e o papel higieˆnico? (b) entre o canudo e os pedacinhos de papel? 2. Usando a se´ria triboele´trica, indique a carga dos materiais: (a) o canudo pla´stico (b) o papel usado para atritar o canudo (c) os pedacinhos de papel 3. Explique o que aconteceu entre os canudos na experieˆncia 2. 4. E´ possı´vel grudar o canudo na parede apenas atritando-o com o papel higieˆnico. (a) Explique por que isso acontece. (b) Explique quais devem ser as condic¸o˜es do tempo e da parede para faci- litar que isso acontec¸a. 1.2 Eletrosco´pio de folhas 1.2.1 Material utilizado Detector de cargas: “Eletrosco´pio de folhas” • arame fino; • 10 cm de fio de cobre (nu´mero 28); • folha de alumı´nio; • um recipiente com rolha; • 1 canudo de pla´stico; • papel higieˆnico ou jornal; Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 8 CAPI´TULO 1. CARGAS ELE´TRICAS 1.2.2 Montagem do experimento • Fac¸a um furo na rolha e passe o fio de cobre • Raspe 3 cm do fio em uma extremidade e 3 cm de fio na outra, ate´ que todo o verniz a` volta do fio seja retirado (nestas regio˜es). • Dobre uma das extremidades na forma de um gancho. • Corte duas tiras finas de papel alumı´nio de 3 cm de comprimentoe prenda-as com o fio de cobre. • enrole e aperte um pedac¸o de papel alumı´nio na extremidade do fio que ficara´ do lado de fora do frasco ate´ que se forme uma pequena bolinha prensada de papel alumı´nio nesta extremidade. A bolinha na˜o precisa ser grande: um diaˆmetro de dois centı´metros sera´ suficiente; 1.2.3 Procedimento Experimental 1 - Atrite o canudo com um pedac¸o de papel higieˆnico ou jornal (lembrando, que este processo deve ser feito algumas vezes para que o canudo fique bem eletrizado), e aproxime e afaste o canudo da esfera, sem toca´-la. + Observe e anote o que acontece com as tiras de alumı´nio. 2 - Agora encoste o canudo eletrizado na esfera e depois afaste. + Observe e anote o que acontece com as tiras de alumı´nio. 2.4 Questiona´rio 1 - O que foi observado no procedimento 1? 2 - Por queˆ isso ocorre? 3 - O que foi observado no procedimento 2? 4 - Por queˆ isso ocorre? 5 - No experimento 2, depois que o eletrosco´pio estiver eletrizado, o que fazer para as tiras se juntarem novamente? 6 - E se o eletrosco´pio estivesse eletrizado positivamente, como neutraliza´-lo? Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Capı´tulo 2 Simulac¸o˜es: O Campo Ele´trico 2.1 Simulac¸a˜o PHET: Cargas imersas em um Campo Ele´trico Chamamos de monopolo, uma carga, positivamente ou negativamente carregada.[3, Cap. 21,p. 1]. Por convenc¸a˜o, um monopolo negativamente carregado possui linhas de campo ele´trico se movendo para o objeto. Um monopolo positivamente carregado possui linhas de campo ele´trico se movendo para fora do objeto. 2.1.1 Objetivos Nesse experimento, iremos: • verificar a atrac¸a˜o e a repulsa˜o entre diferentes objetos carregados; • fazer diagramas de corpo livre mostrando as forc¸as de atrac¸a˜o e/ou repulsa˜o entre as cargas na auseˆncia e na presenc¸a de um campo ele´trico externo; • analisar os efeitos do movimento de uma ou mais cargas atrave´s da aplicac¸a˜o de um campo ele´trico externo. 2.1.2 Materiais • Computador com navegador e plugin java instalados; • Simulac¸a˜o PHET: Campo Ele´trico dos Sonhos[4] A simulac¸a˜o pode ser executada diretamente do link abaixo: http://phet.colorado.edu/sims/efield/efield_pt_BR.jnlp 9 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 10 CAPI´TULO 2. SIMULAC¸O˜ES: O CAMPO ELE´TRICO 1. Clique em “Adicionar” para colocar um objeto carregado na tela. Escreva abaixo suas observac¸o˜es. O objeto esta´ em movimento? O que aparece na tela, junto ao objeto? 2. Baseado na convenc¸a˜o que voceˆ leu mais acima, qual a carga do monopolo? 3. Pressione “Adicionar” uma vez mais, para adicionar um novo objeto. Ob- serve o comportamento inicial. (a) Uma vez inserido, o segundo objeto permanece em repouso? (b) O que “empurra” o segundo objeto? (c) A interac¸a˜o entre os dois objetos e´ uma atrac¸a˜o ou repulsa˜o? (d) Qual a carga do segundo objeto? Como voceˆ sabe? 4. Pressione “Reiniciar tudo?” e confirme “Sim” Enta˜o, pressione “Adicionar” uma vez, para colocar um objeto na caixa. Note que o estado inicial do objeto e´ em repouso outra vez. (a) Puxe o pontinho “Campo Externo” para baixo, de forma que aparec¸a uma seta apontando para baixo. Escreva suas observac¸o˜es: 5. Mude a orientac¸a˜o e comprimento do “Campo Externo” e observe o com- portamento do objeto. (a) Baseado em suas observac¸o˜es, qual e´ a carga que gera o campo ele´trico externo? Negativa ou positiva? E qual sua posic¸a˜o em relac¸a˜o ao ob- jeto? (b) Encurte a seta do “Campo Externo” e observe a mudanc¸a no tamanho e orientac¸a˜o das linhas do campo pro´ximas ao objeto. Voceˆ pode obter setas no sentido contra´rio. Explique. 6. Pressione “Reiniciar tudo?” e confirme “Sim” Enta˜o, pressione “Adicionar” uma vez, para colocar um objeto na caixa. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o (a) Cliquem em “Propriedades” e altere a carga do objeto para “+1”, enta˜o clique em “OK” e adicione um novo objeto na caixa. (b) Puxe o “Campo Externo”, aumentando sua intensidade em uma direc¸a˜o e observe o que acontece com as cargas na caixa. Relate o que acontece: (c) Puxe o “Campo Externo” para o sentido oposto ao anterior e observe o que acontece com as cargas na caixa. Relate o que acontece: (d) Baseado na relac¸a˜o entre a forc¸a e o campo ele´trico, ~F = q ~E, explique cientificamente o que foi relatado no item anterior. 7. Feche a simulac¸a˜o. 2.2 Simulac¸a˜o PHET: Hockey por Campo Ele´trico 2.2.1 Objetivos Nesse experimento, vamos: • direcionar um disco carregado ao gol atrave´s de um campo ele´trico formado por uma distribuic¸a˜o de cargas; • observar a direc¸a˜o da forc¸a resultante, que provocara´ o movimento do disco; • observar como a massa e a quantidade de cargas disponı´vel alteram o movi- mento do disco. 2.2.2 Materiais • Computador com navegador e plugin java instalados; • Simulac¸a˜o PHET: Hockey no Campo Ele´trico[5] A simulac¸a˜o pode ser executada diretamente do link abaixo: http://phet.colorado.edu/sims/electric-hockey/electric-hockey_ pt_BR.jar Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 12 CAPI´TULO 2. SIMULAC¸O˜ES: O CAMPO ELE´TRICO 2.2.3 Procedimento Experimental 1. Inicie o programa “Electric Hockey”; 2. O objetivo do jogo e´ fazer um gol com o disco; 3. Descreva como uma u´nica carga negativa deve ser usada para obter um gol: 4. Limpe tudo cada vez que voceˆ quiser testar um novo setup. Reset se voceˆ quiser tentar de novo o setup atual; 5. Descreva como uma u´nica carga positiva deve ser usada para obter um gol: 6. O que acontece quando a massa do disco e´ aumentada? E quando e´ dimi- nuida? 7. Por queˆ a massa do disco afeta sua velocidade se essa massa na˜o faz parte da equac¸a˜o da forc¸a de Coulomb? 8. Configure um triaˆngulo de cargas para fazer o gol, com duas cargas positivas e uma negativa. Desenhe aqui as linhas de campo dessa configurac¸a˜o (ligue as linhas de campo no programa): 9. Mude o nı´vel de dificuldade para 1, 2 e enta˜o 3. Quando voceˆ conseguir fazer gol em cada nı´vel, desenhe seu setup nos to´picos abaixo. (a) setup do nı´vel 1: (b) setup do nı´vel 2: Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 2.2. SIMULAC¸A˜O PHET: HOCKEY POR CAMPO ELE´TRICO 13 (c) setup do nı´vel 3: Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 14 CAPI´TULO 2. SIMULAC¸O˜ES: O CAMPO ELE´TRICO Nomes: 2.3 Avaliac¸a˜o Avaliac¸a˜o dos conceitos aprendidos com as simulac¸o˜es: Campo Ele´trico dos Sonhos e Hockey no Campo Ele´trico. 1. Posicionando uma carga a 2 cm do disco voceˆ vera´ o disco voar longe. Agora, posicionando a carga a 1 cm do disco. Comparando com a situac¸a˜o anterior, a forc¸a no disco sera´ (justifique sua resposta): (a) a metade; (b) a mesma; (c) duas vezes maior; (d) quatro vezes maior; (e) outra resposta. 2. No exercı´cio anterior, se adicionarmos uma carga a mais em cima da pri- meira. A forc¸a no disco sera´ (justifique sua resposta): (a) /2 (b) a mesma; (c) ×2 (d) ×4 (e) outra resposta. 3. Considerando a figura abaixo, responda V - Verdadeiro ou F - Falso para as afirmac¸o˜es. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 2.3. AVALIAC¸A˜O 15 ( ) todos os discos sentem uma forc¸a para a direita. ( ) o disco em C sente umaforc¸a maior para a direita do que o disco em D. ( ) o disco em E sente uma forc¸a para a direita que e´ quatro vezes maior do que a forc¸a sentida pelo disco em B, considerando que a escala da figura representa exatamente a metade da distaˆncia. ( ) a resultante no disco em A e´ zero. 4. Para qual das escolhas abaixo, o disco tem mais chances de ficar parado? 5. Na figura abaixo, considerando todas as cargas positivas e o disco positivo, qual das setas melhor representa a direc¸a˜o e sentido da acelerac¸a˜o do disco (em verde) no momento em que ele passa a parede (barra vertical)? 6. Na figura abaixo, uma carga positiva pode ser colocada em uma das treˆs diferentes posic¸o˜es em uma regia˜o onde ha´ um campo ele´trico uniforme. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 16 CAPI´TULO 2. SIMULAC¸O˜ES: O CAMPO ELE´TRICO Como a intensidade da forc¸a ele´trica, F, na carga, nas diferentes posic¸o˜es 1, 2 e 3 se compara? (a) F e´ maior em 1; (b) F e´ maior em 2; (c) F e´ maior em 3; (d) F e´ zero em qualquer das 3 posic¸o˜es; (e) F e´ a mesma em qualquer das 3 posic¸o˜es, mas na˜o e´ zero. 7. Quando uma carga positiva e´ liberada do repouso em um campo ele´trico uniforme, ela ira´: (a) permanecer em repouso na sua posic¸a˜o inicial; (b) se mover com uma acelerac¸a˜o constante; (c) se mover com uma velocidade constante; (d) se mover com uma acelerac¸a˜o que aumenta linearmente; (e) na˜o e´ possı´vel concluir nada a partir dessa informac¸a˜o. 8. Escreva a expressa˜o para a forc¸a ele´trica ~F , em uma carga q, submetida a um campo ele´trico a distaˆncia r de outra carga Q. 9. Escreva a expressa˜o para o campo ele´trico ~E, em um ponto P a uma distaˆncia r de uma carga Q. 10. Escreva resumidamente, com suas palavras, os conceitos de: (a) Forc¸a ele´trica (Forc¸a de Coulomb): (b) Campo ele´trico: Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Capı´tulo 3 O potencial ele´trico 3.1 Simulac¸a˜o PHET: Superfı´cies equipotenciais Uma superfı´cie equipotencial e´ o conjunto de todos os pontos ao redor de um grupo de cargas que esta˜o no mesmo potencial. Essas superfı´cies nos permitem calcular a quantidade de trabalho necessa´ria para mover uma carga de um ponto a outro. A quantidade de trabalho necessa´ria para mover uma carga q atrave´s de uma diferenc¸a de potencial ∆V e´ dada por: W = q∆V O propo´sito dessa atividade e´ familiarizar o estudante com os formatos e apareˆncia dessas superfı´cies equipotenciais e sua relac¸a˜o com o campo ele´trico. 1. O programa “Charges and Fields” pode ser executado diretamento de http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_ pt_BR.html. + Seu navegador deve ter o plugin java instalado. 2. Maximize a tela do navegador e observe uma a´rea para pegar cargas e sen- sores de campo a direita da tela, uma caixa verde onde alguns aspectos da tela podem ser alterados e uma ferramenta equipotencial, mostrada na figura abaixo; Essa ferramenta e´ usada para medir o potencial (vol- tagem) em qualquer ponto do espac¸o e plotar as linhas equipotenciais na a´rea. O cı´rculo no topo da ferramenta muda de cor para refletir a magnitude relativa e polaridade do potencial no ponto. 3. Na caixa verde, ligue a grade (Grid, na versa˜o em ingleˆs). Ligue o item “Mostrar nu´meros” (Show numbers), para ver a escala da grade. Na mesma 17 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 18 CAPI´TULO 3. O POTENCIAL ELE´TRICO janela, ligue o item “mostrar campo - E” (Show E-Field) assim, quando uma carga estiver na a´rea de testes, aparecera˜o setas representando o campo ele´trico devido a carga. 4. Pegue uma carga positiva e arraste para o centro da a´rea de teste. Note o campo ele´trico. Mova a carga ao redor, observe o que acontece com o campo e responda a`s seguintes questo˜es: (a) Como o programa mostra a direc¸a˜o do campo ele´trico, em qualquer ponto? (b) Como o programa mostra a magnitude do campo ele´trico, em qualquer ponto? (c) Onde o campo ele´trico e´ mais forte? (d) No diagrama abaixo, desenhe o campo ele´trico de uma carga pontual positiva: 5. Mova a ferramenta equipotencial ao redor da a´rea de testes e note a mudanc¸a de cor do cı´rculo. (a) Como a cor e´ relacionada a medida de voltagem no campo? (b) Onde a voltagem e´ maior? (c) Use a ferramente equipotencial para plotar linhas equipotenciais a inter- valos de 1m a partir da carga e preencha a tabela abaixo: Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 3.1. SIMULAC¸A˜O PHET: SUPERFI´CIES EQUIPOTENCIAIS 19 Distaˆncia (m) Voltagem (V) 1 2 3 4 5 6 Crie um gra´fico a partir dos dados dessa tabela e acrescente ao seu re- lato´rio. (d) A voltagem devido a uma carga pontual varia diretamente ou inversa- mente com a distaˆncia da carga? (e) Escreva a expressa˜o que mostra sua afirmac¸a˜o para a questa˜o anterior. (f) Como o campo ele´trico e´ orientado relativo a`s linhas equipotenciais? 6. Limpe a a´rea de testes (use o bota˜o “limpar tudo”, na caixa verde). Arraste uma carga negativa para a a´rea de testes e desenhe, no diagrama abaixo, as linhas do campo ele´trico e linhas equipotenciais para a carga negativa: (a) Como as linhas de campo sa˜o orientadas relativo a`s linhas equipotenci- ais? 7. Limpe a a´rea de testes. Arraste duas cargas positivas separadas por uma distaˆncia de 3m na a´rea de testes e use o diagrama abaixo para desenhar o campo ele´trico e as linhas equipotenciais: Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 20 CAPI´TULO 3. O POTENCIAL ELE´TRICO 8. Repita para duas cargas negativas: 9. Repita para uma carga positiva e uma negativa. Essa configurac¸a˜o e´ conhe- cida como “dipolo”. 10. Repita para duas linhas de cargas de polaridades opostas. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 3.2. MAPEAMENTODOCAMPOELE´TRICOATRAVE´S DAS LINHAS EQUIPOTENCIAIS21 3.2 Mapeamento do Campo Ele´trico atrave´s das linhas equipotenciais 3.2.1 Objetivos • Medir o potencial ele´trico em um meio diele´trico. • Observar as superfı´cies equipotenciais geradas a partir de uma distribuic¸a˜o de cargas. • Observar as caracterı´sticas geome´tricas do campo ele´trico de uma distribuic¸a˜o de cargas. • Representar as linhas de Campo Ele´trico. • Determinar a relac¸a˜o do Campo Ele´trico com a distaˆncia. 3.2.2 Material necessa´rio a. 1 cuba transparente; b. a´gua de torneira; c. 1 folha de papel milimetrado; d. Pares de condutores meta´licos; e. 1 Voltı´metro digital; f. Fonte CC 12V; g. 2 cabos para o voltı´metro (ponta de prova); h. 2 cabos banana-jacare´ (para a fonte); 3.2.3 Introduc¸a˜o teo´rica O conceito de Campo Ele´trico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb, que nos permite calcular a forc¸a que age entre duas cargas. ~F = k.|Q|.|q| r2 rˆ [N], (3.1) onde, rˆ significa a direc¸a˜o radial, pois uma carga no espac¸o apresenta uma distribuic¸a˜o radial do campo ele´trico. O Campo Ele´trico gerado pela carga Q, no espac¸o, exerce uma forc¸a sobre a carga de teste, q. Esse campo ele´trico e´ dado pela expressa˜o abaixo: ~E = ~F q = k.|Q| r2 rˆ [N/C] (3.2) Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 22 CAPI´TULO 3. O POTENCIAL ELE´TRICO Figura 3.1: Evideˆncia das linhas de campoele´trico de duas superfı´cies condutoras atrave´s de fragmentos de vidro suspenso sob o´leo e submetidos a uma ddp. onde, k = 8, 9874× 109 N.m2/C2 e´ a constante de Coulomb. Os conceitos de linhas de forc¸a e superfı´cies equipotenciais sera˜o introdu- zidos para representar qualitativa e quantitativamente o campo ele´trico de duas superfı´cies condutoras submetidas a uma ddp. A tangente a uma linha de forc¸a deve fornecer a direc¸a˜o do campo ele´trico no ponto considerado, e o mo´dulo do mesmo e´ dado pela densidade local de linhas de forc¸a (nu´mero de linhas de forc¸a que atravessam perpendicularmente uma unidade de a´rea). O mo´dulo do Campo Ele´trico pode ser calculado a partir do potencial, usando a equac¸a˜o 3.3, abaixo: E = −∆V ∆r [V/m] (3.3) Pontos do espac¸o que possuem a mesma diferenc¸a de potencial sa˜o ditas su- perfı´cies equipotenciais. Podemos trac¸ar linhas de campo a partir de superfı´cies equipotenciais conhecidas, uma vez que o campo ele´trico e´ sempre perpendicular a essas superfı´cies. 3.2.4 Procedimento Experimental 1. Desenhe os dois eletrodos cilı´ndricos na folha de papel milimetrado e mar- que os pontos, de forma equidistante, onde o potencial ele´trico sera´ inicial- mente medido (1, 2, 3, ..., 10), conforme a figura abaixo. Posicione o papel milimetrado sob a cuba com a´gua. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 3.2. MAPEAMENTODOCAMPOELE´TRICOATRAVE´S DAS LINHAS EQUIPOTENCIAIS23 Cuba 1 2 3 4 5 ... cilindro A cilindro B 2. Lique o multı´metro na escala de 20 V para corrente contı´nua. Ligue a ponta de prova preta no conector aterrado (COM) e a ponta de prova vermelha no conector adequado para voltagens (voltı´metro). 3. Fac¸a as ligac¸o˜es necessa´rias para criar uma tensa˜o (ddp) de 12 V, entre os dois cilindros (ddpAB). Veja a figura 3.2, abaixo. + Fac¸a antes a calibrac¸a˜o dos 12V da fonte, usando o multı´metro. Figura 3.2: Aparato experimental. O terra da fonte e´ conectado ao terra do voltı´metro (V). A ponta de prova do voltı´metro (V) toma as medidas entre os con- dutores. 4. Mec¸a a d.d.p. com a ponta de prova do multı´metro e, de acordo com o referencial adotado no papel milimetrado, marque as coordenadas dos pontos com o mesmo potencial na tabela 3.1: 3.2.5 Tratamento dos dados e resultados 1. Represente as coordenadas da tabela 3.1 em um referencial cartesiano, no papel milimetrado e esboce as superfı´cies equipotenciais. 2. Mec¸a as distaˆncias de cada um dos pontos do terra ate´ a carga positiva e calcule o raio me´dio (r¯) para as curvas encontradas no item 1 preenchendo a tabela 3.21. Para o ca´lculo do desvio-padra˜o, ha´ um exemplo detalhado no apeˆndice B.2. 1Essas distaˆncias podem tambe´m ser calculadas usando os pares de coordenadas (x,y) da tabela 3.1, usando a equac¸a˜o de Pita´goras; como exemplo: r1 = √ x21 + y 2 1 . Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 24 CAPI´TULO 3. O POTENCIAL ELE´TRICO tensa˜o V(volts) Coordenadas (cm) Medida Tensa˜o V (V) (x1, y1) (x2, y2) (x3, y3) (x4, y4) (x5, y5) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabela 3.1: Coordenadas das medidas da diferenc¸a de potencial entre duas su- perfı´cies condutoras cilı´ndricas. 3. Calcule a intensidade do vetor Campo Ele´trico em cada ponto usando a equac¸a˜o 3.3 e preencha a tabela 3.3. A incerteza e´ calculada conforme a equac¸a˜o 9 do apeˆndice B. 4. Fac¸a um esboc¸o das linhas de Campo Ele´trico e represente o vetor Campo Ele´trico em alguns pontos onde foram feitas as medidas. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 3.2. MAPEAMENTODOCAMPOELE´TRICOATRAVE´S DAS LINHAS EQUIPOTENCIAIS25 tensa˜o V(volts) Distaˆncias (cm) Raio me´dio Desvio-padra˜o Medida V (V) r1 r2 r3 r4 r5 r¯ σn−1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabela 3.2: Medida da distaˆncia entre o terra e cada ponto medido na tabela 3.1 e ca´lculo do raio me´dio para cada superfı´cie equipotencial. Medidas E (V/m) r¯(m) Incerteza (V/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabela 3.3: Ca´lculo da intensidade do Campo Ele´trico. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 26 CAPI´TULO 3. O POTENCIAL ELE´TRICO Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Capı´tulo 4 A Lei de Ohm e medidas de Resistores 4.1 Lei de Ohm 4.1.1 Objetivos • Determinar a relac¸a˜o entre a tensa˜o e a corrente ele´trica aplicadas sobre um resistor; • Desenhar a curva caracterı´stica (V × I) de um resistor oˆhmico; Obter informac¸o˜es a partir dessa curva; • Desenhar a curva caracterı´stica (V × I) de um resistor na˜o oˆhmico; 4.1.2 Materiais a. 1 Fonte de alimentac¸a˜o CC de tensa˜o varia´vel; b. 1 multı´metro (na posic¸a˜o de amperı´metro); c. 1 resistor da ordem de 102 Ω (use a tabela de cores); d. 1 laˆmpada e. 1 protoboard (painel de contatos) 4.1.3 Introduc¸a˜o teo´rica Qualquer processo de conversa˜o de energia pode ser relacionado a equac¸a˜o abaixo[6, 7]: Efeito = causa oposic¸a˜o (4.1) 27 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 28 CAPI´TULO 4. A LEI DE OHM E MEDIDAS DE RESISTORES Em circuitos ele´tricos, o efeito que desejamos estabelecer e´ o fluxo de cargas ou a corrente. A diferenc¸a de potencial, ou tensa˜o, entre dois pontos e´ a causa (“pressa˜o”), e a oposic¸a˜o ao fluxo de cargas representa a resisteˆncia encontrada. A corrente e´ uma reac¸a˜o a` tensa˜o aplicada, e na˜o o fator que coloca o sistema em movimento. Fazendo uma analogia, quanto maior a pressa˜o na torneira, maior a quantidade de a´gua que flui atrave´s da mangueira, do mesmo modo que a aplicac¸a˜o de uma tensa˜o maior, no mesmo circuito, resulta em uma corrente maior. A Lei de Ohm, mostrada na forma da corrente I como inco´gnita (equac¸a˜o 4.2), representa o que foi demonstrado na equac¸a˜o 4.1. As outras formas da Lei de Ohm mostram, respectivamente, a forma de calcular a tensa˜o V (em Volts, V) e a forma de calcular a resisteˆncia R (em ohms, Ω), manipulando algebricamente os termos. I = V R (ampe`res, A) (4.2) V = RI (volts,V) R = V I (ohms,Ω) • A tensa˜o V, nos terminais do resistor, R, e´ a mesma tensa˜o, E, nos terminais da bateria (como mostrado na figura ao lado); I = V R = E R + A resisteˆncia do fio condutor e´ des- prezı´vel, comparada a resisteˆncia da carga (resistor). • A corrente I (corrente convencional), deixa o terminal positivo da fonte e retorna para seu terminal negativo. 4.1.4 Procedimento Experimental 1. Ajuste a fonte para 0,5V (primeira medida) e mantenha desligada para a montagem; 2. Ajuste o multı´metro na posic¸a˜o de amperı´metro em corrente contı´nua, na escala de 200 mA; Atenc¸a˜o: observe que, com um resistor de 100 Ω, obteremos uma corrente de 5mA, para a tensa˜o inicial de 0,5V e 30mA para o u´ltimo valor de tensa˜o de 3V. Todos dentro da escala de 200mA. Verifique se suas medidas esta˜o dentro da escala. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 4.1. LEI DE OHM 29 # Tensa˜o (V) Corrente ele´trica (A) Resisteˆncia, R = VI (Ω) 1 0,5 2 1,0 3 1,5 4 2,0 5 2,5 6 3,0 Tabela 4.1: Medidas da Corrente Ele´trica e ca´lculo do resistor. 3. Obtenha os valores para a corrente e preencha a tabela 4.1, abaixo: 4. Monte agora o circuitopara a laˆmpada, no lugar do resistor; 5. Volte a ajustar a fonte para 0,5V e obtenha os valores para a corrente variando o valor da tensa˜o na fonte, conforme a tabela 4.2, abaixo: # Tensa˜o (V) Corrente ele´trica (A) Resisteˆncia, R = VI (Ω) 1 0,5 2 1,0 3 1,5 4 2,0 5 2,5 6 3,0 Tabela 4.2: Medidas da Corrente Ele´trica e ca´lculo da Resisteˆncia da laˆmpada. 4.1.5 Questiona´rio 1. Com os dados das tabelas 4.1 e 4.2 desenhe os gra´ficos v×I , para o resistor e para a laˆmpadano papel milimetrado fornecido no final desse arquivo. 2. Qual o comportamento matema´tico da curva desenhada para o resistor oˆhmico? 3. Qual e´ a relac¸a˜o existente entre a tensa˜o aplicada ao resistor e a corrente que circula por ele? Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 30 CAPI´TULO 4. A LEI DE OHM E MEDIDAS DE RESISTORES 4. Qual o significado da inclinac¸a˜o dessa curva? 5. A partir das suas observac¸o˜es, como voceˆ pode definir um resistor oˆhmico? 6. Qual o comportamento matema´tico da curva desenhada para o resistor na˜o oˆhmico? 7. Qual o significado da inclinac¸a˜o dessa curva? 8. A partir dessas observac¸o˜es, como voceˆ pode definir um resistor na˜o oˆhmico? Sem realizar nenhuma medida sobre a laˆmpada, utilizando apenas a interpolac¸a˜o e extrapolac¸a˜o gra´fica, complete a tabela 4.3 (apenas para a laˆmpada). # Tensa˜o (V) Corrente ele´trica (A) Resisteˆncia, R = VI (Ω) 1 1,25 2 2,25 3 5,8 4 6,5 5 7,0 6 10,5 Tabela 4.3: Estimativas da Corrente Ele´trica e ca´lculo da Resisteˆncia da laˆmpada. 4.2 Medidas de resistores e associac¸o˜es de resistores 4.2.1 Objetivos • observar a toleraˆncia na medida da resisteˆncia de resistores comerciais; • verificar experimentalmente o resultado das associac¸o˜es de resistores. 4.2.2 Material necessa´rio 1. 1 multı´metro (na posic¸a˜o de ohmı´metro); 2. 6 resistores variados; 3. 1 protoboard (painel de contatos) Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 4.2. MEDIDAS DE RESISTORES E ASSOCIAC¸O˜ES DE RESISTORES 31 4.2.3 Introduc¸a˜o teo´rica [3, 8] Circuito em se´rie: dois elementos esta˜o em se´rie se possuem somente um terminal em comum; A resisteˆncia total de um circuito em se´rie e´ dada pela soma das resisteˆncias individuais no circuito, como indicado abaixo, para n resisteˆncias: RT = R1 +R2 +R3 + ...+Rn (ohms,Ω) Circuito em paralelo: em geral, dois elementos, ramos ou resistores esta˜o em paralelo se tiverem dois pontos em comum. Para n resistores em paralelo, a resisteˆncia total e´ determinada a partir da se- guinte equac¸a˜o: 1 RT = 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 + ...+ 1 RN Em geral, no entanto, o ca´lculo da resisteˆncia total e´ facilitado usando o se- guinte formato, para qualquer nu´mero de resistores: RT = 1 1 R1 + 1R2 + 1 R3 + ...+ 1RN (ohms,Ω) Para N resistores iguais, em paralelo, RT = R N (ohms,Ω) Quando ha´ apenas dois resistores em paralelo, RT = R1R2 R1 +R2 (ohms,Ω) Para resistores em paralelo, observamos ainda que: • a resisteˆncia total de resistores em paralelo e´ sempre menor que o valor do menor resistor. • se a menor resisteˆncia de uma combinac¸a˜o em paralelo e´ muito menor que a dos outros resistores em paralelo, a resisteˆncia total sera´ muito pro´xima do menor valor de resisteˆncia. • a resisteˆncia total dos resistores em paralelo sempre caira´ na medida em que novos resistores forem adicionados em paralelo. 4.2.4 Procedimento Experimental 1. Obter o valor nominal de cada resistor utilizado, atrave´s da tabela de cores[9]. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 32 CAPI´TULO 4. A LEI DE OHM E MEDIDAS DE RESISTORES # Seq. de cores R. Nominal (Ω) Toleraˆncia (%) R. Medida (Ω) Diferenc¸a (%) 1 2 3 4 5 6 Tabela 4.4: Medidas das resisteˆncias. 2. Medir a resisteˆncia de cada resistor, utilizando o multı´metro (na posic¸a˜o de ohmı´metro). Atenc¸a˜o para selecionar a escala correta para cada resistor, baseado no seu valor nominal. Preencher a tabela 4.4. 3. Calcular o valor das associac¸o˜es de resistores indicadas abaixo; ( Ω) ( Ω) (a) ( Ω) ( Ω) (b) ( Ω) ( Ω) ( Ω) (c) ( Ω) ( Ω) ( Ω) Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 4.2. MEDIDAS DE RESISTORES E ASSOCIAC¸O˜ES DE RESISTORES 33 Associac¸a˜o Resistores (#) RT . Calculada (Ω) RT . Medida (Ω) Diferenc¸a (%) Se´rie Paralela Mista Tabela 4.5: Medidas das associac¸o˜es. 4. Apo´s calcular, utilize o protoboard para montar cada uma das associac¸o˜es correspondentes e mec¸a a resisteˆncia total, de cada associac¸a˜o, com o multı´metro. 5. Comparar todos os valores medidos com os ca´lculos envolvendo os valores nominais e discutir as diferenc¸as obtidas. 6. Discutir o que foi observado ao associar resistores em se´rie e em paralelo, quando obtida a resisteˆncia total da associac¸a˜o. 7. Discutir a toleraˆncia na associac¸a˜o dos resistores. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 34 CAPI´TULO 4. A LEI DE OHM E MEDIDAS DE RESISTORES Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Capı´tulo 5 A Experieˆncia de Oersted 5.1 Experieˆncia de Oersted 5.1.1 Objetivos • Comprovar a associac¸a˜o existente entre os fenoˆmenos ele´tricos e magne´ticos atrave´s da forc¸a magne´tica; • Observar a forc¸a magne´tica. 5.1.2 Materiais a. 1 Fonte de alimentac¸a˜o CC de tensa˜o varia´vel; b. 1 suporte com hastes para contatos; c. 1 pedac¸o rı´gido de fio condutor; d. 1 ima˜ permanente em formato U. 5.1.3 Introduc¸a˜o teo´rica Vamos estudar agora, como um campo magne´tico produz uma forc¸a magne´tica em um corpo eletricamente carregado em movimento ou em um ima˜ permanente. Um campo magne´tico e´ produzido por [3, pg.189] • Partı´culas eletricamente carregadas em movimento, como os ele´trons que produzem a corrente ele´trica em um fio; + todo fio percorrido por uma corrente ele´trica produz um campo magne´tico em volta de si. • Materiais onde os campos magne´ticos dos ele´trons se somam, produzindo um campo magne´tico; + Assim e´ formado um ima˜ permanente. 35 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 36 CAPI´TULO 5. A EXPERIEˆNCIA DE OERSTED Figura 5.1: Atrac¸a˜o e repulsa˜o entre ima˜s permanentes. Definimos ~B medindo a forc¸a ~FB que age sobre uma partı´cula de carga q quando ela passa (em movimento) pelo campo magne´tico ~B. Fizemos o mesmo na definic¸a˜o do campo ele´trico, onde vimos que, ~E = ~FE q Para a intensidade do campo magne´tico, temos: B = FB |q|v (5.1) A forc¸a magne´tica e´ obtida da seguinte equac¸a˜o vetorial: ~FB = q~v × ~B (5.2) Com a intensidade de ~FB , dada por: FB = |q|vBsenφ (5.3) em que, φ, e´ o aˆngulo entre as direc¸o˜es da velocidade, ~v, e do campo magne´tico, ~B. A forc¸a magne´tica, ~FB sera´ zero, quando a carga for nula (q = 0) ou quando a velocidade da carga for nula (v = 0). Como a forc¸a magne´tica e´ definida por um produto vetorial, esta sera´ nula tambe´m no caso em que a velocidade da carga e o campo magne´tico sa˜o paralelos (φ = 0o) ou opostos (φ = 180o). A unidade do Campo Magne´tico, no SI, e´ o tesla (T), 1 tesla = 1 T = 1 N/(C.m/s) = 1 N/(C/s.m) = 1 N/A.m Es tac io/ Unira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 5.1. EXPERIEˆNCIA DE OERSTED 37 Na pra´tica, usamos o gauss (G), 1 tesla = 104 gauss Tambe´m e´ possı´vel observar que um campo magne´tico exerce uma forc¸a lateral sobre os ele´trons que se movem em um fio. Essa forc¸a e´ passada ao fio condutor, ja´ que os ele´trons na˜o podem deixa´-lo. Na forma vetorial, temos: ~FB = i~L× ~B (5.4) 5.1.4 Procedimento Experimental 1. Monte o experimento conforme a figura acima; tenha o cuidado de alinhar o fio condutor na direc¸a˜o N-S, como esta´ alinhada a bu´ssola; 2. Acione a chave e observe a bu´ssola. 5.1.5 Questionamentos e discusso˜es Para a elaborac¸a˜o do relato´rio, fac¸a uma pesquisa histo´rica sobre o experimento de Oersted e descubra porque esse experimento, ta˜o simples de ser realizado, foi ta˜o importante em sua e´poca. Algumas perguntas podem ajudar no direcionamento da pesquisa. 1. Em que e´poca esse experimento foi realizado por Oersted? 2. Qual a situac¸a˜o da pesquisa em eletricidade e em magnetismo nessa e´poca? 3. O que e´ o eletromagnetismo e o que deu inı´cio a esse campo de pesquisa? Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 38 CAPI´TULO 5. A EXPERIEˆNCIA DE OERSTED Apeˆndice A Introduc¸a˜o ao laborato´rio de fı´sica • A fı´sica e´ baseada em observac¸o˜es e medic¸o˜es quantitativas; • A partir dos resultados dessas medic¸o˜es: – teorias sa˜o formuladas + podem prever resultados de experimentos futuros; + provocam novos desenvolvimentos. – e´ possı´vel confirmar ou derrubar uma teoria existente. + Va´rios experimentos podem comprovar uma teoria mas, apenas um experimento que a contradiga pode derruba´-la. • Por tudo isso, experimentos precisam ser cuidadosamente documentados, pois precisam poder ser refeitos por outros pesquisadores para confirmar seus resultados. • Medir e´ um pricedimento experimental em que o valor de uma grandeza e´ determinado em termos do valor de uma unidade, estabelecida por um padra˜o[10]. • A medida da grandeza deve conter: – o valor da grandeza; – a incerteza da medic¸a˜o; – a unidade. • E´ importante tambe´m, qualificar o tipo da incerteza que foi indicada e des- crever como foi feita a medic¸a˜o. • No Brasil, o sistema legal de unidades e´ o Sistema Internacional (SI)[11]; • As regras para a expressa˜o dos resultados e das incertezas nas medic¸o˜es sa˜o definidas pela ABNT - Associac¸a˜o Brasileira de Normas Te´cnicas[12] e • pelo INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalizac¸a˜o e Quali- dade Industrial[13] +O INMETRO disponibiliza o Guia para expressa˜o da incerteza de medic¸a˜o[14]. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o B. ERROS, PROPAGAC¸A˜O DE ERROS E NOTAC¸A˜O 39 B Erros, propagac¸a˜o de erros e notac¸a˜o Ao realizar qualquer medida, obtemos erros que se originam na precisa˜o limi- tada do instrumento de medida utilizado. Como exemplo, a menor divisa˜o de uma re´gua comum e´ de 1 milı´metro (1 mm) e, ao medir um comprimento de 2,37 cm, e´ possı´vel ver que a medida esta´ entre 2,30 cm e 2,40 cm e apenas podemos estimar o valor 2,37 cm, pois na˜o ha´ essa indicac¸a˜o na re´gua. Podemos classificar o erro cometido na leitura de um instrumento em treˆs ca- tegorias: 1. Erro Estatı´stico ou Aleato´rio - sa˜o flutuac¸o˜es nas medidas que ocorrem ao acaso, sem uma tendeˆncia definida; tipicamente, em torno de um valor me´dio. Exemplos: • Erros devido a influeˆncia de certos fatores que sa˜o desprezados. Ex.: espessura da ponta de prova de um voltı´metro durante posiciona- mento sobre uma folha de papel milimetrado. • Erros naturais de muitas medic¸o˜es de uma grandeza: Ex.: desvios dos valores de temperatura de uma caldeira aferidos de hora em hora. Medidas repetitivas, ca´lculo de me´dias e ana´lises estatı´sticas sa˜o usados para minimizar esse tipo de erro. 2. Erro Sistema´tico - e´ o erro devido a fatores que agem sempre da mesma maneira, afetando os resultados sempre no mesmo sentido. Exemplos: • Me´todo: Ex.: um erro na estimativa da frac¸a˜o de menor divisa˜o de uma escala; erros do observador, como o erro devido a` paralaxe (leituras que de- pendem da posic¸a˜o do observador), atraso ou adiantamento ao acionar um cronoˆmetro, balanc¸a desnivelada. • Erros devido a condic¸o˜es que flutuam Ex.: variac¸o˜es na rede de energia ele´trica. • Calibrac¸a˜o: Ex.: balanc¸a descalibrada, medidor de poteˆncia o´ptica sem manutenc¸a˜o. • Defeito: Ex.: um ponteiro torto em um velocı´metro ou aceleroˆmetro, uma re´gua lascada, vazamentos. Esses sa˜o os erros mais complicados de serem determinados e eliminados em um processo de medida. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 40 CAPI´TULO 5. A EXPERIEˆNCIA DE OERSTED 3. Erro Grosseiro Um resultado muito discrepante dos demais devera´ ser descartado, pois pro- vavelmente sera´ desse tipo de erro. • Enganos, distrac¸a˜o ou cansac¸o: Ex.: na leitura de medidores ou na contagem do nu´mero de oscilac¸o˜es de um peˆndulo, anotar um valor errado, aproximac¸o˜es erradas. • Eventos fora de controle e imprevisı´veis: cortes de energia, pancadas em uma balanc¸a. Os erros grosseiros sa˜o devidos a uma te´cnica deficiente e devem ser elimi- nados. Os demais erros podem ser reduzidos com te´cnicas mais aperfeic¸oadas e melhores instrumentos, mas na˜o podem ser eliminados totalmente[15]. B.1 Tratamento estatı´stico do erro Valor me´dio (x¯) O valor me´dio de uma grandeza e´ a me´dia aritme´tica dos valores obtidos por n medidas: x¯ = 1 n n∑ i=1 xi (5) Incertezas As avaliac¸o˜es dos erros estatı´sticos (ou aleato´rios) sa˜o denominados incertezas. A incerteza mostra a dispersa˜o das medidas a partir da me´dia. 1. Erro instrumental E´ a menor divisa˜o da escala do aparelho analo´gico ou da frac¸a˜o da escala do instrumento utilizado. Exemplos: • re´gua padra˜o menor divisa˜o: 1 mm erro instrumental: 0,5 mm • balanc¸a menor divisa˜o da escala: 0,1g erro instrumental: 0,05 g 2. Erro residual ou desvio (δn) E´ a diferenc¸a entre o valor de uma medida e o valor me´dio das diversas me- didas, da mesma grandeza, realizadas em condic¸o˜es semelhantes (mesmos aparelhos e me´todos de medida) δi = x− xi, com i = 1, 2, 3, ..., n (6) Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o B. ERROS, PROPAGAC¸A˜O DE ERROS E NOTAC¸A˜O 41 3. Desvio-padra˜o (σn−1) σn−1 = √√√√ 1 n− 1 n∑ i=1 (δi)2 (7) Propagac¸a˜o de incertezas 1. soma e subtrac¸a˜o Em uma soma ou subtrac¸a˜o de grandezas, como no exemplo ∆x = x2− x1, a incerteza do resultado deve ser expressa por, σ∆x = √ 2σx (8) 2. multiplicac¸a˜o e divisa˜o Em uma operac¸a˜o de multiplicac¸a˜o ou divisa˜o de duas grandezas, como f = a.b ou f = ab , calculamos a incerteza de f como, σf = √(σa a )2 + (σb b )2 (9) Apresenac¸a˜o do resultado Considerando a grandeza, G, onde obtivemos o valor me´dio, x¯, de uma se´rie de medidas, temos: G = (x¯± incerteza) unidade (10) B.2 Exemplo Na medic¸a˜o do comprimento de um objeto com o auxı´lio de um paquı´metro, fo- ram feitas 10 medidas, tabeladas abaixo, junto com os desvios e desvios quadra´ticos. x (cm) δx (cm) (δx)2 (cm) 4,11 -0,01 1× 10−4 4,13 0,01 1× 10−4 4,12 0,00 0× 10−4 4,11 -0,01 1× 10−4 4,11 -0,01 1× 10−4 4,14 0,02 4× 10−4 4,12 0,00 0× 10−4 4,11 -0,01 1× 10−4 4,10 -0,02 4× 10−4 4,12 0,00 0× 10−4 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nterno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 42 CAPI´TULO 5. A EXPERIEˆNCIA DE OERSTED • valor me´dio: x¯ = 1 n n∑ i=1 xi = 41, 17 10 = 4, 117cm ≈ 4, 12 cm • desvio-padra˜o: σn−1 = √√√√ 1 n− 1 n∑ i=1 (δi)2 = √ 1, 3× 10−3 9 = 0, 012 cm O resultado final, considerando o nu´mero correto de algarismos significati- vos, e´ dado por: x = (4, 12± 0, 01) cm C Como fazer o Relato´rio As caracterı´sticas fundamentais de um Relato´rio sa˜o a objetividade e a clareza. Ele deve ser escrito de forma que outra pessoa, apoiando-se nele, possa repetir o experimento sem necessitar que o autor do texto esteja presente para decifra´-lo. O Relato´rio deve respeitar sempre certos aspectos e normas indispensa´veis para que o leitor possa entender imediatamente os pontos essenciais do trabalho feito na sala de aula. Sem ser prolixo, ele deve conter o maior nu´mero possı´vel de informac¸o˜es sobre o que foi feito, como foi feito e os resultados alcanc¸ados. Apre- sentaremos a seguir uma sugesta˜o de organizac¸a˜o para o relato´rio. Um relato´rio conte´m basicamente as seguintes partes: 1. Identificac¸a˜o: Deve consistir em uma capa com a indicac¸a˜o clara do tı´tulo do trabalho, os nomes dos componentes do grupo, a turma de laborato´rio e a data da realizac¸a˜o da experieˆncia. 2. Introduc¸a˜o: Deve-se expor nesta parte o contexto do trabalho, a importaˆncia do tema, um pequeno histo´rico (se for o caso), a teoria envolvida e as correlac¸o˜es com outros assuntos. E´ importante que a introduc¸a˜o do relato´rio na˜o seja co´pia da Introduc¸a˜o da apostila. Pesquise outras fontes! 3. Objetivos: Nesta parte deve-se apresentar, de forma bem sucinta, os objeti- vos da pra´tica experimental. E´ mais fa´cil escrever os objetivos em forma de itens, que devem ser sempre iniciados com um verbo no infinitivo. 4. Materiais e Me´todos: Esta parte e´ dedicada a` apresentac¸a˜o dos materiais e equipamentos utilizados, uma descric¸a˜o do arranjo experimental montado e uma explicac¸a˜o minuciosa do procedimento experimental adotado. E´ acon- selha´vel mostrar um esboc¸o do aparato utilizado, para facilitar a compre- ensa˜o do leitor. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o C. COMO FAZER O RELATO´RIO 43 5. Resultados e Discussa˜o: Nesta parte e´ apresentada, primeiramente, uma ta- bela com os dados obtidos. Em seguida, veˆm os ca´lculos, gra´ficos e dis- cusso˜es. E´ importante salientar que e´ obrigato´ria a apresentac¸a˜o das equac¸o˜es utilizadas, de forma que todos os valores apresentados possam ser recalcula- dos pelo leitor. Na˜o sera˜o considerados resultados apresentados sem a devida explicac¸a˜o. 6. Concluso˜es: Esta parte e´ dedicada a` apresentac¸a˜o sucinta dos principais re- sultados e das concluso˜es obtidas no trabalho. Um leitor que leia os objetivos propostos devera´ encontrar na conclusa˜o, comenta´rios sobre todos eles. A leitura da Introduc¸a˜o e da conclusa˜o devera´ dar ao leitor uma percepc¸a˜o global do trabalho. Aqui tambe´m podem haver sugesto˜es de melhorias no experimento e pro- postas de novos trabalhos que cumpram os mesmos objetivos que este ou complementem o entendimento e/ou comprovac¸a˜o da teoria. 7. Bibliografia: Todo relato´rio deve conter uma bibliografia, onde sa˜o listadas todas as refereˆncias consultadas. E´ importante que a lista de refereˆncia tenha uma formatac¸a˜o uniforme e que sejam apresentadas as seguintes informac¸o˜es essenciais1: (a) Para livros: Autor(es), tı´tulo, edic¸a˜o, editora, local onde foi editado, ano. Exemplo: Helene, O.A.M. e Vanin, V.R., “Tratamento Estatı´stico de dados”, 2a. edic¸a˜o,Edgard Blucher, Sa˜o Paulo (1981). (b) Para artigos de revistas: Nome(s) do(s) autor(es), tı´tulo (optativo), tı´tulo da revista, volume, nu´mero, pa´gina e ano de publicac¸a˜o. Exemplo: A.A. Gusev, T. Kohno, W. N. Spjeldvik, I. M. Martin, G. I. Pugacheva, A. Tur- telli, Dynamics of the low altitude secondary proton radiation belt, “Advances in Space Research”, Vol.21, N.12, pp. 1805-1808 (1998). (c) para texto da Internet: Nome(s) do(s) autor(es), tı´tulo, enderec¸o eletroˆnico que esta´ disponı´vel, data de acesso. Exemplo: Blackwell, Bases de dados, disponı´vel em: <http://www.periodicos.capes.gov.br/>, acesso em 22/03/2004. O relato´rio deve ser realizado pelo grupo que realizou a experieˆncia. E´ impor- tante frisar que todos os alunos devem participar da elaborac¸a˜o do relato´rio e que as ana´lises e concluso˜es apresentadas devem ser discutidas em conjunto. Ale´m disso, todas as partes do relato´rio, inclusive a Introduc¸a˜o, devem ser redigidas com palavras pro´prias dos alunos. 1Nota do professor: Ha´ exemplos de como exibir a bibliografia em formato ABNT em meu material de aula; em cada aula ha´ a indicac¸a˜o da bibliografia utilizada no item: Refereˆncias. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 44 CAPI´TULO 5. A EXPERIEˆNCIA DE OERSTED Na˜o pode haver qualquer tipo de desonestidade nos relato´rios, como co´pia total ou parcial de texto de livros, apostilas ou mesmo de relato´rios de outros grupos, que, quando identificado, implicara´ na anulac¸a˜o da nota referente ao relato´rio. Texto retirado da “Apostila de Laborato´rio de Fı´sica A” do Centro de Cieˆncias Exatas e Tecnologia do Departamento de Fı´sica da Universidade Federal de Sergipe. Elaborada pe- los professores: ANA FIGUEIREDO MAIA, MA´RCIA REGI PEREIRA ATTIE, MA´RIO ERNESTO GIROLDO VALERIO e ZE´LIA SOARES MACEDO. Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o Refereˆncias Bibliogra´ficas [1] PEREIRA, L. do N. Feira de Cieˆncias: Eletrizac¸a˜o por Atrito. Acesso em: 31 jul. 2013. Disponı´vel em: <http://fisica.uems.br/aprenda/ eletriza/>. [2] PEREIRA, L. do N. Feira de Cieˆncias: Eletrosco´pio. Acesso em: 21 fev. 2013. Disponı´vel em: <http://fisica.uems.br/aprenda/ eletroscopio/>. [3] HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Fı´sica - Vol. 3. 9a edic¸a˜o. Rio de Janeiro: LTC, 2012. Disponı´vel na Biblioteca Fı´sica da Esta´cio. [4] PHET Interactive Simlations - Electric Field of Dreams. University of Co- lorado. Acesso em: 07 mar. 2013. Disponı´vel em: <http://phet. colorado.edu/sims/efield/efield_pt_BR.jnlp>. [5] PHET Interactive Simlations - Hockey no Campo Ele´trico. Uni- versity of Colorado. Acesso em: 07 mar. 2013. Disponı´vel em: <http://phet.colorado.edu/sims/electric-hockey/ electric-hockey_pt_BR.jar>. [6] BOYLESTAD, R. L. Introduc¸a˜o a` Ana´lise de Circuitos. 12. ed. Sa˜o Paulo: Pearson, 2012. Disponı´vel na Biblioteca Virtual e Fı´sica da Esta´cio. [7] GUSSOW, M. Eletricidade ba´sica. 2. ed. Sa˜o Paulo: Artmed, 2008. Disponı´vel na Biblioteca Fı´sica da Esta´cio. [8] YOUNG, H.; FREEDMAN, R. Fı´sica III - Eletromagnetismo. 12a edic¸a˜o. Sa˜o Paulo: Pearson Education, 2009. Disponı´vel na Biblioteca Virtual da Esta´cio. [9] GUEDES, J. Valor da resisteˆncia de um resistor. Acesso em: 02 nov. 2016. Dis- ponı´vel em: <https://jedsonguedes.wordpress.com/2008/12/ 29/valor-da-resistencia/>. [10] Agostinho Aure´lio Garcia Campos. Fı´sica experimental ba´sica na universidade. 2a edic¸a˜o. Belo Horizonte/MG: Editora UFMG, 2008. 45 Es tac io/ Un ira dia l - Us o I nte rno Pr of .A le xa nd er L uz Sp er an di o 46 REFEREˆNCIAS BIBLIOGRA´FICAS [11] SI Sistema Internacional de Unidades. Rio de Janeiro: INMETRO, 2007. 116 p. Acesso em: 23 fev. 2015. Disponı´vel em: <http://www.inmetro. gov.br/inovacao/publicacoes/Si.pdf>. [12] ABNT - Associac¸a˜o Brasileira de Normas Te´cnicas. ABNT. Acesso em: 19 fev.2015. Disponı´vel em: <http://www.abnt.org.br>. [13] INMETRO. INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalizac¸a˜o e Qualidade Industrial. 2009. Disponı´vel em: http://www.inmetro.gov. br/. Acesso em: 02 marc¸o 2009. [14] GUIA para expressa˜o de incerteza de medic¸a˜o. INMETRO, 2008. Acesso em: 19 fev. 2015. Disponı´vel em: <www.inmetro.gov.br/noticias/ conteudo/iso_gum_versao_site.pdf>. [15] GOLDEMBERG, J. Fı´sica Geral e Experimental. 2a edic¸a˜o. Sa˜o Paulo: Edi- tora da Universidade de Sa˜o Paulo, 1970. 525 p. [16] MAIA, A. F. et al. Laborato´rio de Fı´sica A - Aula 1 - Informac¸o˜es Gerais. Acesso em: 11 mai. 2014. Disponı´vel em: <http://dfi.ufs. br/sites/default/files/162/aula1_informacoesgerais_ 2014_1.pdf>. Sumário 1 Cargas Elétricas 1.1 Fenômenos eletrostáticos 1.2 Eletroscópio de folhas 2 Simulações: O Campo Elétrico 2.1 Simulação PHET: Cargas imersas em um Campo Elétrico 2.2 Simulação PHET: Hockey por Campo Elétrico 2.3 Avaliação 3 O potencial elétrico 3.1 Simulação PHET: Superfícies equipotenciais 3.2 Mapeamento do Campo Elétrico através das linhas equipotenciais 4 A Lei de Ohm e medidas de Resistores 4.1 Lei de Ohm 4.2 Medidas de resistores e associações de resistores 5 A Experiência de Oersted 5.1 Experiência de Oersted Apêndice A Introdução ao laboratório de física B Erros, propagação de erros e notação C Como fazer o Relatório Referências
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