Relatório 3 - Cuba Eletrolítica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA - UNILA
FELIPE MARQUES
HUESLEY CÂNDIDO
LIDIA ABRANTES
MARIO REGATIERI
RAFAEL CUNHA
RELATÓRIO:
Cuba Eletrolítica
Foz do Iguaçu
2019
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Linhas de forças de um dipolo elétrico.	6
Figura 2: Esquema de ligação da ponta de prova do multímetro para varredura de potencial dentro da cuba.	7
Figura 3: Disposição e geometria dos eletrodos utilizado. a) a primeira montagem, dois eletrodos cilíndricos de aço galvanizado com uma distância de 10 cm; b) segunda montagem, um eletrodo cilindro de aço galvanizado contra um eletrodo linear de cobre; c) um eletrodo linear de cobre contra outro eletrodo linear de cobre.	8
Figura 4: Linhas de forca entre dois objetos circulares	9
Figura 5: Linhas de forca equipotenciais de um eletrodo circular contra um eletrodo linear	11
Figura 6: Linhas de força e equipotenciais de dois eletrodos lineares perpendiculares	12
Figura 7: Linhas de força das placas paralelas	13
SUMÁRIO
RESUMO	4
1.	INTRODUÇÃO	5
2.	DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL	7
3.	DADOS, ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÕES	9
4.	CONCLUSÃO	15
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	16
RESUMO
Essa prática é focada em campo elétrico, que foi gerado por dois corpos de prova (eletrodos cilíndricos e em barras) e pela fonte DC-Constanter Geregeltes Netzgerät 0...12V que foi ligada nos terminais dos eletrodos. O campo elétrico foi medido pelo multímetro DIGITAL MULTIMETER ET-2082C procurando pontos específicos na cuba eletrolítica com valores de 2V, 4V, 5V, 6V e 8V. 
Foi possível observar que as linhas do campo elétrico seguem um padrão ditado pelo eletrodo positivo. Se o eletrodo positivo é cilíndrico, a curvatura das linhas de campo é acentuada, já se o eletrodo é em barra, as linhas de campo tendem a ser pouco inclinadas. O campo elétrico é diretamente proporcional à diferença de potencial entre dois pontos e inversamente proporcional à distância. O módulo do campo elétrico aumenta na proporção que se aproxima eletrodo negativo.
1. INTRODUÇÃO
É de conhecimento geral que dois corpos carregados de mesmo sinal se repelem enquanto que dois corpos carregados com sinais opostos se atraem. Esse fenômeno mecânico é chamado de Força Eletrostática (ou Força Elétrica) e foi estudado a fundo por vários cientistas entre eles se destacou Charles Augustin de Coulomb. Charles percebeu nos seus estudos que a força eletrostática era proporcional a carga dos dois corpos e inversamente proporcional a distância entre essas cargas. Esse comportamento é conhecido como a Lei de Coulomb (UFRGS, 2019).
O campo elétrico é uma grandeza física vetorial usada para definir a força elétrica que uma carga é capaz de produzir em outras cargas elétricas de prova. Uma analogia muito válida é a do campo gravitacional, o qual todos os corpos estão submetidos a uma força gravitacional. Dessa forma, uma carga Q gera um campo elétrico que pode influenciar as cargas de prova nele colocadas (SÓ FÍSICA, 2008).
O módulo do campo elétrico pode ser calculado pela Equação 1:
Por essa esta fórmula observamos que a unidade do campo elétrico é Newton por Coulomb (N/C) ou ainda Volts por metro (V/m).
O campo elétrico das cargas positivas sempre aponta para fora das cargas, na direção radial. Já o campo elétrico das cargas negativas aponta para dentro delas. Para facilitar a visualização do campo elétrico, desenhamos linhas cujas direções tangentes sempre indicam a direção e o sentido do campo elétrico. Essas linhas são denominadas linhas de força. A atração e a repulsão elétrica estão relacionadas com a resultante do campo elétrico em cada ponto do espaço. Por meio das linhas de força podemos visualizar os casos nos quais há uma força atrativa ou repulsiva entre cargas elétricas: A atração e a repulsão elétrica estão relacionadas com a resultante do campo elétrico em cada ponto do espaço. Por meio das linhas de força podemos visualizar os casos nos quais há uma força atrativa ou repulsiva entre cargas elétricas, como pode ser visto na Figura 1 (HELERBROCK,2019).
Figura 1: Linhas de forças de um dipolo elétrico. 
Fonte: Mundo Educação
Dificilmente mede-se o campo elétrico diretamente devido ao tamanho das cargas, que em geral, são muito pequenas. Assim, uma das formas de medi-lo é pela Diferença de Potencial. Relacionando o Trabalho produzido por uma Diferença de Potencial (Equação 2) e a definição de Campo Elétrico (Equação 1), temos:
A Equação 3 nos mostra que quanto mais próximos estivermos de uma fonte de campo elétrico (carga positiva), maior será o potencial elétrico na região. De forma similar, quanto mais próximos estivermos das cargas negativas (sumidouros de campo elétrico), menor será o potencial elétrico (HELERBROCK,2019).
Os objetivos desse experimento foram, a saber: auferir superfícies equipotenciais em uma cuba eletrolítica; bem como, esquematizar o campo elétrico a partir dessas superfícies; empregando os conceitos de potencial e campo, a fim de conhecer como o campo atua para diversas distribuições de carga.
2. DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL
O experimento realizado utilizou os seguintes materiais: 1 Cuba de Polietileno; 2 Eletrodos cilíndricos de aço galvanizado; Multímetro com pontas de prova; 550 mL água; Fonte de tensão regulável de 2 a 10 V; 3 Cabos banana-jacaré; Régua 30 cm; Papel milímetro; Fita adesiva transparente.
O experimento inicia com a preparação da cuba segundo a figura 3. Utilizando uma fita adesiva transparente, o papel milímetro é adicionado ao fundo da cuba de forma a está protegido da água. Em seguida é adicionada a água até formar uma lâmina de água de aproximadamente 0,5 cm.
Com o multímetro na função de voltímetro, liga-se em paralelo aos terminais da fonte pelos cabos banana-jacaré, para realizar a calibração da fonte, como mostrado na figura 2. Para o experimento é necessário regular a fonte em 10 Vcc, após a regulagem, não se pode mexer no potenciômetro responsável pela regulam para não mudar a tensão entregue pela fonte.
A primeira montagem experimental, consiste em analisar as linhas campo elétrico formado entre dois eletrodos com formatos cilíndricos de dimensão considerável. Os eletrodos cilíndricos foram posicionados dentro da cuba de forma a estar centralizado e distantes 10 cm entre suas superfícies. Com o auxílio dos pinos jacaré da fonte, foi polarizado os eletrodos de aço galvanizados. Fixando a ponta de prova negativa do voltímetro no negativo da fonte, a ponta de prova positiva fez a varredura dos potenciais em diferentes pontos da cuba.
Figura 2: Esquema de ligação da ponta de prova do multímetro para varredura de potencial dentro da cuba.
A varredura consistia em localizar 5 pontos dos potenciais de 2.00V, 4.00 V, 5.00 V, 6.00 V e 8.00V e registrar suas localizações para construir as linhas de força formadas pelo campo elétrico.
O experimento contou com mais 2 configurações experimentais variando o formado dos eletrodos, utilizando um eletrodo cilíndrico contra um eletrodo linear e um eletrodo linear contra outro linear, conforme figura a baixo.
Figura 3: Disposição e geometria dos eletrodos utilizado. a) a primeira montagem, dois eletrodos cilíndricos de aço galvanizado com uma distância de 10 cm; b) segunda montagem, um eletrodo cilindro de aço galvanizado contra um eletrodo linear de cobre; c) um eletrodo linear de cobre perpendicular a outro eletrodo linear de cobre perpendicular; d) um eletrodo linear de cobre paralelo a outro eletrodo linear de cobre.
 
3. DADOS, ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÕES
Para representação gráfica dos dados obtidos, foi utilizando o software de análise de dados OriginPro 8. A determinação do erro de leitura das coordenadas X e Y do papel milímetro foi realizada observando a influência da inclinação da ponta de prova, quando inclinada ela apresentava um valor de uma vizinhança, esse desvio oscilou entre ±0,25cm.
Figura 4: Linhas de forca entre dois objetos circulares
Os valores do campo elétrico foram calculados pela equação 3 e foram obtidos os resultados apresentados na tabela 1.
Tabela 1:Valores do campo elétrico da figura 4 em função da tensão.
	 
	Distância(cm) 
	Potencial(V) 
	Campo Elétrico (E) 
	P1 
	2 cm 
	2V 
	100 V/m 
	P2 
	3,7 cm 
	4 V 
	108,1 V/m 
	P3 
	6,7 cm 
	6 V 
	89,55 V/m 
	P4 
	9,7 cm 
	8 V 
	82,47 V/m 
	Média 
	5,525 cm 
	5 V 
	95,03 V/m 
É possível observar pela figura 4 acima que houve um desvio no padrão da curva das equipotenciais de 5,0 V e 6,0 V, desvio qual pode ser ocorrido por um reposicionamento acidental do eletrodo negativo. É possível analisar também pelo gráfico que é necessário uma distância maior do eletrodo positivo, sentido negativo, para uma queda de potencial de 2,0 V em comparação com o distância para a equipotencial de 2,0V até o eletrodo negativo, comportamento não esperado, visto que a equação 3 diz que o campo elétrico é diretamente proporcional a diferença de potencial entre dois pontos e inversamente proporcional a distância entre esses pontos, portanto o comportamento mostra que o módulo do campo elétrico aumenta, quando corremos a linha central vertical do campo elétrico sentido eletrodo negativo. Assim como o campo elétrico é nulo, ou quase nulo, quando corremos a linha horizontal em alguns pontos, pois os potenciais são constantes ou com uma pequena variação causada por desvios já mencionados. Observa-se que as linhas horizontais de 4,0V, 5,0V e 6,0V são praticamente constantes, e seria esperado em todas as faixas de potenciais subsequentes.
O campo elétrico no centro da cuba é de , portanto, a força que esse campo estaria exercendo sobre um elétron que estivesse neste local seria de , sofrendo assim, uma aceleração de . Este mesmo elétron se quisesse atravessar este campo, partindo do eletrodo negativo em sentido ao eletrodo positivo, realizaria um trabalho de . Assim como se não houvesse nenhuma resistência no caminho, todo o trabalho realizado pelo campo elétrico seria convertido em energia cinética. Porém no percurso entre os eletrodos, os elétrons sofrem inúmeras colisões com os átomos e moléculas da solução para a qual transferem a maior parte da energia que recebem do campo elétrico.
Se invertêssemos a polarização dos eletrodos, o campo elétrico não seria alterado, iria causar apenas uma inversão em sua direção. Percebe-se que os eletrodos circulares são muito maiores que qualquer carga pontual, no qual este experimento está simulando. Porém o comportamento do campo elétrico é muito semelhante em ambas situações pois sobre o próprio cilindro há uma linha equipotencial em forma de circunferência, devido a sua condutividade e sua superfície ser equipotencial.
Figura 5: Linhas de forca equipotenciais de um eletrodo circular contra um eletrodo linear
Os valores do campo elétrico foram calculados pela equação 3 e foram obtidos os resultados apresentados na tabela 2.
Tabela 2: Valores de campo elétrico da figura 5 em função da tensão.
	
	Distância(cm)
	Potencial(V)
	Campo Elétrico (E)
	P1
	2 cm
	2V
	100 V/m
	P2
	4,7 cm
	4 V
	85,1 V/m
	P3
	5,5 cm
	6 V
	85,7 V/m
	P4
	8,9 cm
	8 V
	89,88 V/m
	Média
	5,275 cm
	5 V
	90,17 V/m
Pela figura 5 observa-se que o comportamento das linhas de força e equipotenciais entre um eletrodo circular e um linear são semelhantes em um dos lados ao de dois circulares, como observado na figura 3. Porém é perceptível que as linhas equipotenciais partem do cilindro para o objeto linear e se tornam mais retilíneas quando estão próximas a este, pois há uma alteração de superfície e isso provoca em distorções na diferença de potencial e ocasionalmente no campo. Em um sistema de cargas pontuais o campo produzido é uma soma de todos os vetores de cada carga pontual, ou seja, será produzido partindo do lado positivo para o negativo.
Figura 6: Linhas de força e equipotenciais de dois eletrodos lineares perpendiculares
Os valores do campo elétrico foram calculados pela equação 3 e foram obtidos os resultados apresentados na tabela 3. 
Tabela 3: Valores de campo elétrico para a figura 6 em função da tensão.
	 
	Distância(cm) 
	Potencial(∆V) 
	Campo Elétrico (E) 
	P1 
	0,3 cm 
	2V 
	66,6 V/m 
	P2 
	0,9 cm 
	4 V 
	44,4 V/m 
	P3 
	2,5 cm 
	6 V 
	24 V/m 
	P4 
	4 cm 
	8 V 
	20 V/m 
	Média 
	4,875 cm 
	5 V 
	38,75 V/m 
Observa-se na figura 6 que o comportamento das linhas equipotenciais se torna curvadas ao se afastarem do lado positivo para o negativo, tendo apenas uma linha retilínea central. O modulo do campo em torno desta linha central aumenta quando corremos do lado positivo para o negativo, pois a variação de potencial em cada ponto subsequente tem um aumento. Se calcularmos o campo entre o ponto (6,10) e (8,10), obtemos que será menor que o campo entre o ponto (8,10) e (10,10). Como mostrado a seguir, utilizando a equação 3: 
O campo entre (6,10) e (8,10) é 100 V/m, pois a distância é de 0,02 metros e a variação de potencial é de 2V e o campo entre o ponto (8,10) e (10,10) é igual a 200 V/m, pois a distância é de 0,02 metros e a variação de potencial é de 4V.
Figura 7: Linhas de força das placas paralelas
Os valores do campo elétrico foram calculados pela equação 3 e foram obtidos os resultados apresentados na tabela 4.
Tabela 4: Valores de campo elétrico para figura 7 em função da tensão.
	
	Distância(cm)
	Potencial(V)
	Campo Elétrico (E)
	P1
	1,9 cm
	2V
	105,2 V/m
	P2
	4,2 cm
	4 V
	95,2 V/m
	P3
	5,5 cm
	6 V
	109,09V/m
	P4
	7,6 cm
	8 V
	105,26 V/m
	Média
	4,875 cm
	5 V
	103,68 V/m
Pela figura 7 observa-se que as linhas equipotenciais partem do eletrodo positivo para o negativo e o modulo do campo elétrico aumenta conforme corremos em linhas verticais devido a diferença de potencial, e o campo se torna nulo quando corremos em linhas horizontais pois não há diferença de potencial ou quase não há. Se as placas forem aproximadas o campo elétrico irá aumentar pois a variação de potencial irá aumentar em uma distância menor e conforme a equação 3 é possível verificar tal afirmação. A forma do campo nunca irá mudar, as linhas de forças serão sempre paralelas. O campo é uniforme, portanto, o modulo do campo não varia de um ponto para o outro.
4. CONCLUSÃO
A partir dos experimentos mencionados acima, foi possível constatar que o campo elétrico é diretamente proporcional à diferença de potencial entre dois pontos e inversamente proporcional à distância. Portanto, o seu desempenho mostrou que o módulo do campo elétrico aumenta na medida que percorremos a linha central vertical do campo elétrico no sentido do eletrodo negativo, assim como o campo elétrico é nulo, ou quase nulo, quando corremos a linha horizontal em alguns pontos. Ademais, o comportamento das linhas equipotenciais do campo elétrico dependera da carga dos corpos de prova.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
UFRGS, Universidade Federal do Rio Grande do Sul; 2019. Lei de Coulomb e força elétrica. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/fis/EMVirtual/cap1/cargas.htm>. Consultado em 19/09/2019 às 19:46h.
SÓ FÍSICA. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2019. Fórmulas de Eletrostática. Disponível em <http://www.sofisica.com.br/conteudos/FormulasEDicas/formulas15.php>. Consultado em 19/09/2019 às 19:49. 
HELERBROCK, Rafael. 2019; Campo Elétrico. Disponível em: <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/campo-eletrico.htm>. Consultado em 19/09/2019 às 20:45h.