física 3 - aula experimental

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Estácio 
Física Teórica e Experimental Ili Roteiro de Aula Prática 01 
Curso: Engenharia Civil e Produção /4º Semestre 
Módulo: Semestral 
Tema: Distribuição de Cargas 
Professor Responsável: Edson Brito 
OBJETIVO DE APRENDIZAGEM 
Ao término desta atividade o aluno deverá ter competência para: 
Descrever o funcionamento do eletroscópio de folhas; 
• Reconhecer que as cargas elétricas (estáticas) se distribuem -na superfície externa do condutor; 
• Descrever o motivo desta distribuição de cargas. 
INTRODUÇÃO 
o estudo experimental da distribuição da carga elétrica nos corpos condutores é principalmente devido a 
Coulomb, cujas primeiras experiências remontam a 1786. A carga que adquire um condutor é , pois , 
independente do volume ou da natureza da substância condutora; depende, entretanto da superfície 
externa: somos assim levados a pensar que a eletricidade se localiza exclusivamente na superfície externa 
dos condutores. É impossível verificar diretamente que não existe carga elétrica no interior da matéria 
condutora, mas pode-se mostrar que não existe nunca carga elétrica na superfície interna de um condutor 
oco. 
Distribuição de cargas elétricas no condutor 
Essa distribuição irá depender do formato geométrico do condutor. Vejamos alguns casos: 
• Condutor esférico isolado: é o caso mais simples, onde há uma distribuição rigorosamente uniforme, e em 
toda sua superfície, a densidade superficial é constante. Vejamos: 
. +. 
t 
1 + 
1 • 
+. ' ' + ' 
\ 
1 
l ·+ • ; 
+ · .. __ ,/ -f-. I 
+ ·-+ . r' 
• Condutor alongado: neste caso, há uma concentração muita grande de cargas elétricas, por causa de uma 
repulsão, com isso a densidade superficial, torna-se muito mais elevada. Vejamos: 
• Corpo pontiagudo: neste caso, o corpo irá apresentar uma ponta com uma densidade de cargas elétrica 
bem acentuada. Vejamos 
+ + 
+ + 
"+ 
+ 
+. 
+ 
EQ047B - CONJUNTO GERADOR ELETROSTÁTICO, GERADOR DE VAN DE GRAAFF, 400 KV. 
Função: Estudo da eletrostática, lei das cargas, eletrizações (atrito, contato, indução), descargas na 
atmosfera, configuração de linhas de força , análise visual do campo elétrico entre eletrodos de diferentes 
formatos, etc. 
Áreas de ação: Eletricidade, Eletrostática, Medidas de elétricas, Arquitetura, Engenharia, Fenômenos de 
transporte, Conjuntos (Física). 
Figura 2: Conjunto gerador eletrostático, gerador de van de graaff 
Fonte: Ramos (2013). 
EXPERIMENTO 
O princípio do funcionamento do eletroscópio de folhas e a distribuição de cargas num condutor. Medida do 
potencial na superfície externa da esfera do gerador. 
MATERIAIS 
01 Gerador eletrostático (Van de Graaff); 
01 Eletrodo com gancho e lâminas de alumínio 10 mm x 180 mm (dobrada ao meio); 
01 Esfera auxiliar de descarga; 
01 Cuba cilíndrica; 
01 Conexão elétrica preta com pinos de pressão; 
01 Conexão elétrica vermelha com pinos de pressão; 
01 Lâmina de alumínio (usadas para embalagem de alimentos) 10 mm x 50 mm; 
01 Fita adesiva; 
01 Trena; 
01 Tira de papel. 
PREREQUISITOS 
Respondaêsque~õesasegu~ 
• 
• 
• 
Cite três partículas fundamentais do átomo com o valor e o sinal de suas cargas elétricas . 
O que você entende por cargas elétricas? 
Expresse a lei das cargas de Coulomb . 
Compare a eletrização por atrito (contato) com a eletrização por indução. 
Classifique os materiais a seguir, que fazer parte do gerador eletrostático, quanto a bons condutores 
elétricos ou maus condutores elétricos: haste acrílica, roletes, palhetas e esfera. 
Justifique o fato da mistura gasosa envolvente (ar e pressão atmosférica) passar de isolante para 
condutora de eletricidade. Como denominamos o maior valor que o campo elétrico E pode assumir 
sobre um material isolante, sem que este material conduza a eletricidade? 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
1. Faça o teste de continuidade nos cabos que serão utilizados antes de iniciar o experimento. 
2. Fixe o eletrodo com o gancho na esfera do gerador. Coloque a lâmina de alumínio dobrada com as 
duas extremidades de mesmo tamanho no eletrodo - Figura abaixo. 
Arcrrnn,ento 
\ 
\ 
Figura 1 
3. Ligue o aparelho por alguns segundos e torne a desligá-lo. Comente o observador na lâmina. 
Justifique o observado em termos de distribuição de cargas. 
4 . Encoste a esfera auxiliar na cabeça esférica do gerador e justifique o observado. 
5 . Remova a esfera auxiliar do gerador e coloque-a apoiada sobre a cuba cilíndrica - Figura 2 a seguir. 
6. 
7. 
Figura 2 
Mantenha a conexão elétrica entre a esfera e o gerador. 
· t· d 1 1 1 · · t namente (1) e outra externamente (2) à esfera, conforme detalhe Fixe uma ira e pape a um mo in er 
da Figura 3 a baixo. 
Figura ~ 
8. Ligue o gerador por alguns segundo e torne a desliga-lo. 
9. Comente e justifique o observado, tanto internamente como externamente à esfera, em termos de 
distribuição de carga elétrica. 
1 O. Como podemos expressar a densidade superficial de carga de um material com formado esférico? 
11. Marque em uma tira de papel a extensão da circunferência da esfera do gerador, em torno de sua 
linha equatorial - Figura abaixo. 
12. Com a trena meça e anote o valor da circunferência C da linha equatorial do gerador, marcada sobre 
a tira de papel. 
13. Através da expressão matemática C = 2TTR, calcule e anote o raio da esfera do gerador. 
14. o potencial máximo a que pode ser submetida uma esfera carregada depende do valor do campo 
elétrico a partir do qual o meio que circula se torna condutor (ruptura da rigidez dielétri~a). Para O ar, 
sob determinadas condições atmosféricas, esse valor é de aproximadamente Emáx = 3 x 1 Q6 V/m. 
15. Empregando a expressão Vmáx = R.Emáx , determine o potencial Vmáx a que o gerador pode ser 
submetido, considerando Emáx = 3 x 10
6 
V/m para o ar envolvente. 
16. Determine a quantidade de carga elétrica acumulada na superfície da esfera do gerador, empregando 
a expressão: 
Q =Vmáx R/k 
17. Conhecido o valor da carga elétrica elementar e = 1,6 x 10-19 C, estipule o número de elétrons livres 
(portadores de cargas) distribuídos na superfície da esfera do gerador através da expressão: n = Q/e. 
18. O elemento acumulador de cargas do gerador é, na verdade, uma calota esférica. A casa esférica 
que dá origem a esta calota possui área Ao, assinalada na Figura abaixo: 
1 
1 
1' 
19. Empregando a expressão ~ = 4nR2, calcule e anote a área~ da esfera. 
20. Calcule e anote a área A do elemento acumulador de cargas do gerador (calota maior) subtraindo a 
área de calota menor (hachurada na figura) que é aproximadamente 8,8% de~. portando: A = Ao -
8,8%~. 
21 . Denomina-se densidade superficial de carga a a razão entre a quantidade de carga Q acumulada em 
uma dada superfície e a área A desta superfície: a = Q/A [C/m2] 
22. Calcule e anote a densidade superficial de carga existente na esfera do gerador quando submetido 
ao potencial máximo Vmáx, considerando Emãx = 3 x106 V/m para o ar envolvente. 
23. Do ponto de vista do gerador, que fatores influenciam na extensão das centelhas produzidas? 
24. Que fatores ambientais (atmosféricos) influenciam na extensão das centelhas produzidas? 
REFERÊNCIAS 
1. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física vol. 3: eletromagnetismo. 9ª ed . 
Rio de Janeiro: LTC, 2012. 388 p. 
2. JEWETT JR, John W.; SERWAY, Raymond A. Física para cientistas e engenheiros vol. 3: eletricidade 
e magnetismo - tradução da 8ª edição norte-americana. São Paulo: Cengage, 2012. 408 p.2. 
3. BAUER, Wolfgang; WESTFALL, Gary D. ; DIAS, Helio. Física para universitários: eletricidade e 
magnetismo. São Paulo: McGraw Hill Bookman, 2012. 410 p. 
4. RAMOS, Luiz Antonio Macedo. Física experimental - Eletricidade: conjunto gerador eletrostático, 
gerador de Van de Graaff, 400 kV- EQ047B. Canoas: CIDEPE, 2013. 
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