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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS INSTITUTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE ENSINO Eletrostática Roteiro de Física Experimental 3 Experimento 1 Video-aulas • Eletrização por atrito • Balança eletrostática • Linhas de campo elétrico • Rompimento da rigidez dielétrica • Vento elétrico • Rompimento da rigidez em placas paralelas • Copo de Faraday • Gerador de van der Graff Maceió 2021 Sumário 1 Eletrização por Contato....................................................................................................................3 1.1 Demonstração dos tipos de cargas em corpos atritados............................................................3 1.1.1 Material Utilizado.............................................................................................................3 1.1.2 Introdução Teórica.............................................................................................................3 1.1.3 Objetivo.............................................................................................................................4 1.1.4 Material Utilizado.............................................................................................................4 1.1.5 Procedimentos Experimentais...........................................................................................4 1.2 Demonstração dos tipos de cargas em filmes e placas.............................................................5 1.2.1 Objetivo.............................................................................................................................5 1.2.2 Material Utilizado.............................................................................................................5 1.2.3 Procedimentos Experimentais...........................................................................................5 2 Efeitos da Força Elétrica..................................................................................................................6 2.1 Força entre corpos carregados – 1............................................................................................6 2.1.1 Objetivo.............................................................................................................................6 2.1.2 Material Utilizado.............................................................................................................7 2.1.3 Procedimentos Experimentais...........................................................................................7 2.2 Força entre corpos carregados – 2............................................................................................8 2.2.1 Objetivo.............................................................................................................................8 2.2.2 Material Utilizado.............................................................................................................9 2.2.3 Procedimentos Experimentais...........................................................................................9 2.3 Modelo de um eletroscópio.....................................................................................................11 2.3.1 Objetivo...........................................................................................................................11 2.3.2 Material Utilizado...........................................................................................................12 2.3.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................12 2.4 O funcionamento de um eletroscópio.....................................................................................13 2.4.1 Objetivo...........................................................................................................................13 2.4.2 Material Utilizado...........................................................................................................13 2.4.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................14 3 Indução Elétrica..............................................................................................................................15 3.1 Indução eletrostática com condutores e não-condutores........................................................15 3.1.1 Objetivo...........................................................................................................................15 3.1.2 Material Utilizado...........................................................................................................16 3.1.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................16 3.2 Efeito de uma força sobre um corpo com indução eletrostática.............................................18 3.2.1 Objetivo...........................................................................................................................18 3.2.2 Material Utilizado...........................................................................................................18 3.2.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................18 3.3 Indução eletrostática em um eletroscópio...............................................................................20 3.3.1 Objetivo...........................................................................................................................20 3.3.2 Material Utilizado...........................................................................................................21 3.3.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................21 4 Armazenamento de Cargas.............................................................................................................22 4.1 Um condutor como um capacitor............................................................................................22 4.1.1 Objetivo...........................................................................................................................22 4.1.2 Material Utilizado...........................................................................................................22 4.1.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................23 4.2 Distribuição de cargas em um copo de Faraday.....................................................................24 4.2.1 Objetivo...........................................................................................................................24 4.2.2 Material Utilizado...........................................................................................................24 1 4.2.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................24 4.3 Tipos de carga que podem ser acumuladas em um copo de Faraday......................................25 4.3.1 Objetivo...........................................................................................................................25 4.3.2 Material Utilizado...........................................................................................................25 4.3.3 Procedimentos Experimentais.........................................................................................25 5 Transporte de Carga........................................................................................................................27 5.1 Objetivo..................................................................................................................................27 5.2 Material Utilizado...................................................................................................................27 5.3 Procedimentos Experimentais.................................................................................................276 Deslocamento de Cargas................................................................................................................29 6.1 Objetivo..................................................................................................................................29 6.2 Material Utilizado...................................................................................................................29 6.3 Procedimentos Experimentais.................................................................................................29 7 Condutores e Não Condutores........................................................................................................30 7.1 Objetivo..................................................................................................................................31 7.2 Material Utilizado...................................................................................................................31 7.3 Procedimentos Experimentais.................................................................................................31 8 Descarga de Corpos........................................................................................................................32 8.1 Objetivo..................................................................................................................................32 8.2 Material Utilizado...................................................................................................................33 8.3 Procedimentos Experimentais.................................................................................................33 9 Descargas Elétricas.........................................................................................................................34 9.1 Objetivo..................................................................................................................................34 9.2 Material Utilizado...................................................................................................................34 9.3 Procedimentos Experimentais.................................................................................................35 Referências.........................................................................................................................................36 2 1 Eletrização por Contato 1.1 Demonstração dos tipos de cargas em corpos atritados 1.1.1 Introdução Teórica A Matéria apresenta duas propriedades fundamentais: a carga a e massa. A carga origina um campo de natureza elétrica e a massa um campo gravitacional. O campo elétrico é algo que se estabelece no espaço para caracterizar a própria existência da carga e fazer com que essas interajam. A existência de duas naturezas de carga ocasiona forças de caráter atrativo e repulsivo, e faz com que o campo produzido por duas cargas opostas de mesmo valor e vizinhas (dipolo), combinem-se e seja convergente de uma para outra. Podemos, porém, notar que a estrutura mais elementar da eletricidade é o monopolo elétrico (carga de uma única natureza) que assim pode existir isoladamente, produzindo um campo divergente. Na prática só podemos sentir os efeitos do campo elétrico e não observa-lo diretamente. Isso é feito através da força sofrida por um monopolo ou dipolo elétrico imerso nesse campo, daí a direção do campo ser a direção da força. É desta forma que efetuamos o mapeamento da configuração espacial do vetor campo elétrico. Teoricamente, esse mapeamento é feito geometricamente através das linhas de campo. O campo elétrico é também responsável pelo movimento de cargas (elétrons ou íons em mobilidade no meio) originando descarga elétrica em gases ou corrente elétrica em líquidos ou sólidos. Os gases normalmente são meios isolantes elétricos mas podem se ionizar com a presença do campo elétrico. Existe um parâmetro que limita as características de isolante que os materiais apresentam denominado de rigidez dielétrica. Sabemos que toda vez que o campo presente é menor que a constante de rigidez do meio, não há descarga ou corrente nesse mantendo, assim, suas características de isolante. Vale observar que as propriedades dielétricas de determinado meio dependem de grandezas como a temperatura e a pressão. Uma outra grandeza que necessita ser tratada neste contexto é o potencial elétrico, uma função escalar associada diretamente ao campo elétrico. Esta relação estabelece que sempre que houver variação do potencial em determinada direção do espaço, haverá campo elétrico nessa direção, daí a diferença de potencial implicar na existência do campo. Para conseguirmos observar experimentalmente os efeitos desse campo em meios dielétricos, temos que contar com fontes de alta tensão (ou em outro caso, de corrente contínua ou polarizações definidas) ou com o gerador eletrostático do tipo Van der Graff. Esses aparelhos geram uma grande concentração de cargas capaz de produzir campo de intensidade suficiente para analisarmos os fenômenos elétricos que desejamos observar 3 nesse experimento. Para iniciarmos nosso estudo sobre a carga elétrica, utilizaremos nesse primeiro momento um kit básico onde analisaremos os efeitos da presença de carga originados mediante processos simples de eletrização. 1.1.2 Objetivo Identificar os tipos de cargas presentes em hastes de plástico, através de uma lâmpada neon, ao serem friccionadas com papel áspero. 1.1.3 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Lâmpada 1 Folhas de papel áspero, secas - 1.1.4 Procedimentos Experimentais 1. Segure firmemente a haste de polipropileno por uma extremidade e atrite o outro extremo com o papel áspero e seco durante certo tempo. 2. Segurando a lâmpada por uma das extremidades metálicas, encoste a outra extremidade na parte da haste que foi atritada (figura 1). Observe os eletrodos da lâmpada. 4 Figura 1: Lâmpada sendo encostada na haste atritada. Fonte: Serie de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3. Realize o mesmo experimento com a haste acrílica. 4. De acordo com o que foi observado nos eletrodos, o que podemos inferir sobre o tipo de cargas elétricas presentes nas hastes? 1.2 Demonstração dos tipos de cargas em filmes e placas 1.2.1 Objetivo Verificar com uma lâmpada, como se carregam uma placa de policarbonato e uma folha de acetato ao atritá-las com um papel seco. 1.2.2 Material Utilizado Material Quantidade Placa de policarbonato 1 Folha de acetato (transparente) 1 Lâmpada 1 Folhas de papel áspero, secas - 1.2.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a folha de acetato sobre a placa de policarbonato e esfregue com um papel durante um tempo. 2. Separe a folha da placa e segurando a lâmpada por uma das extremidades metálicas, encoste a outra extremidade na folha de acetato (figura 2). Observe os eletrodos da lâmpada. 5 3. Realize o mesmo procedimento, agora encostando a lâmpada na placa de policarbonato. Observe os eletrodos da lâmpada novamente. 4. De acordo com o que foi observado nos eletrodos, o que podemos inferir sobre o tipo de cargas elétricas presentes na placa de policarbonato e na folha de acetato? 5. Descarregue a folha de acetato e a placa de policarbonato aterrando-as. 6. Atrite agora somente a folha de acetato e em seguida coloque em contato com a lâmpada. Observe os eletrodos da lâmpada. 7. Repita o passo anterior com a placa de policarbonato. 8. Compare os resultados observados quando a folha e a placa são carregadas juntamente e separadamente. 2 Efeitos da Força Elétrica 2.1 Força entre corpos carregados – 1 2.1.1 Objetivo Verificar as forças que atuam entre hastes de polipropileno, hastes acrílicas e folhas de plástico quando atritadas com papel. 6 Figura 2: Lâmpada sendo encostada na placa de policarbonato. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentosde alunos. Eletrostática. 2.1.2 Material Utilizado Material Quantidade Base do eletroscópio 1 Placa de policarbonato 1 Folha de acetato (folha transparente) 1 Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Grampo para hastes redondas 1 Folhas de papel áspero, secas - 2.1.3 Procedimentos Experimentais 1. Fixe o grampo na haste de polipropileno pelo ponto médio e coloque o grampo na base do eletroscópio, conforme a figura 3. 2. Segurando firmemente uma das extremidades da haste de polipropileno pendurada na base, atrite a outra metade com o papel de modo a eletrizá-la, criando, portanto, uma balança elétrica. 3. Segure firmemente a outra haste de polipropileno por uma extremidade e atrite o outro extremo com o papel durante um tempo, a fim de eletrizá-la. Em 7 Figura 3: Balança eletrostática. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. seguida aproxime a haste eletrizada de cada uma das extremidades da haste da balança elétrica e observe o que acontece (figura 4). 4. Repita o passo anterior com a haste acrílica. 5. Descreva o fenômeno ocorrido, justificando com base nos conceitos da teoria eletrostática. 2.2 Força entre corpos carregados – 2 2.2.1 Objetivo Verificar as forças que atuam entre hastes de polipropileno, hastes acrílicas e folhas de plástico quando atritadas com papel. 8 Figura 4: Aproximação das hastes. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 2.2.2 Material Utilizado Material Quantidade Base do eletroscópio 1 Placa de policarbonato 1 Folha de acetato (folha transparente) 1 Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Grampo para hastes redondas 1 Folhas de papel áspero, secas - 2.2.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a folha de acetato sobre a placa de policarbonato e atrite com um papel durante um tempo e em seguida separe a folha de acetato da placa de policarbonato observando o que acontece (figura 5). 2. Aproxime, sem encostar, primeiro a folha de acetato das duas extremidades da balança elétrica e em seguida aproxime a placa de policarbonato (figura 6). Observe o que acontece. 9 Figura 5: Folha de acetato sendo separada da placa de policarbonato. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3. Descarregue a folha de acetato e a placa de policarbonato aterrando-as entre as mãos. Esfregue agora somente a folha de acetato e em seguida, sem encostar, aproxime a folha de acetato das duas extremidades da balança elétrica e observe o que ocorre. 4. Repita o procedimento anterior com a placa de policarbonato. 5. Compare os resultados observados quando a folha e a placa são carregadas juntamente e separadamente. 2.3 Modelo de um eletroscópio 2.3.1 Objetivo Montar um modelo de eletroscópio e comprovar seu funcionamento com hastes de plástico carregadas eletricamente. 10 Figura 6: Folha de acetato sendo aproximada da balança eletrostática. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 2.3.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Haste metálica 1 Tira condutora 1 Suporte de borracha com orifício para as hastes 1 Fita adesiva 1 Folhas de papel áspero, secas - 2.3.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a haste metálica no orifício do suporte, de maneira que fique na direção vertical e em seguida fixe a tira condutora por uma extremidade com um pedaço de fita adesiva na parte superior (figura 7). 2. Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel, em seguida passe a haste de polipropileno sobre a haste metálica, buscando encostar a maior longitude de ambas e observe a tira condutora (se necessário repita este procedimento). 3. Toque a haste condutora com a mão e observe o que acontece. 4. Repita o experimento utilizando a haste acrílica. 5. Carregue novamente a haste de polipropileno e encoste novamente a haste metálica. Imediatamente depois, faça o mesmo com a haste acrílica também carregada. Observe o que acontece com a tira condutora. 11 Figura 7: aste metálica presa no orifício com a tira pendurada. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 2.4 O funcionamento de um eletroscópio 2.4.1 Objetivo Verificar o que acontece com o eletroscópio ao tocá-lo com um objeto carregado e depois com a mão. 2.4.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Placa de policarbonato 1 Folha de acetato 1 Folhas de papel áspero, secas - 2.4.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a agulha no eletroscópio passando-a pelo orifício central de tal forma que o extremo mais largo (mais pesado) fique para baixo, para que a agulha fique parada na vertical, conforme a figura 8 (cuidado ao manusear a agulha para que esta não amasse). 2. Atrite a haste de polipropileno com o papel seco e passe o extremo carregado por cima do eletroscópio, girando a haste longitudinalmente (figura 9). Repita este procedimento algumas vezes e observe a agulha do eletroscópio. 12 Figura 8: Eletroscópio com agulha. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3. Coloque a mão no eletroscópio e observe a agulha. 4. Repita o procedimento anterior com a haste de acrílico e observe o que acontece. 5. Esfregue novamente a haste de polipropileno com o papel seco e passe o extremo carregado por cima do eletroscópio algumas vezes. 6. Em seguida, esfregue a haste de acrílico e em seguida, encoste no eletroscópio observando o que acontece. 7. Descarregue o eletroscópio totalmente, tocando-o com a mão. 8. Coloque a folha de acetato sobre a placa de policarbonato e esfregue com um papel durante certo tempo. Sem separar a folha da placa, pressione-os nas palmas das mãos para eliminar o excesso de carga e em seguida coloque a placa e a folha sobre o eletroscópio. Em seguida separe lentamente a folha de acetato da placa de policarbonato observando o que acontece (figura 10). 9. Repita o procedimento anterior colocando a placa de policarbonato sobre a folha de acetato no eletroscópio. 13 Figura 9: Haste sendo passada em cima do eletroscópio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. Figura 10: Folha de acetato sendo separada da placa de policarbonato sobre o eletroscópio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3 Indução Elétrica 3.1 Indução eletrostática com condutores e não- condutores 3.1.1 Objetivo Verificar o efeito causado por hastes e folhas carregadas sobre pedaços de papel, folhas de alumínio e hastes de alumínio em suspensão. 3.1.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste acrílica (transparente) 1 Base do eletroscópio 1 Par de pêndulos 1 Folha de acetato 1 Folha de alumínio fina 1 Folhas de papel áspero, secas - 3.1.3 Procedimentos Experimentais 1. Corte o papel em vários pedaços pequenos. 2. Corte a folha de alumínio em pedaços pequenos semelhantes aos pedaços de papel. 3. Carregue eletricamente a haste de polipropileno atritando com o papel. Em seguida, aproxime dos pedaços de papel que estão sobre a mesa e observe o ocorrido (figura 11). 14 Figura 11: Haste sendo passada em cima dos pedaços de papel. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 4. Repita o experimento com os pedaços de papel-alumínio. 5. Em Seguida repita este experimento com a haste acrílica. 6. Carregue a folha de acetato atritando com o papel e passe horizontalmente por cima dos pedaços de papel e de papel-alumínio. 7. Coloque o par de pêndulos na ranhura da basedo eletroscópio conforme a figura 12. 8. Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel e em seguida aproxime o extremo carregado de um dos tubos de alumínio dos pêndulos colocados no eletroscópio (figura 12). Observe o que acontece. 9. Em seguida, encoste a haste no tubo e observe o que acontece. 10.Descarregue os tubos de alumínio, aterrando-os. 11.Coloque o par de pêndulos na ranhura do eletroscópio conforme a figura 13. 15 Figura 12: Haste sendo aproximada de um dos tubos de alumínio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. Figura 13: Haste sendo aproximada da parte inferior dos tubos de alumínio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. 12.Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel e em seguida aproxime o extremo carregado da parte inferior dos pêndulos colocados no eletroscópio (figura 13). Observe o que acontece. 13.Em seguida, encoste a haste nos tubos e observe o que acontece. 14.Descarregue os tubos de alumínio, aterrando-os. 3.2 Efeito de uma força sobre um corpo com indução eletrostática 3.2.1 Objetivo Verificar o efeito da força entre uma haste de polipropileno carregada eletricamente e uma placa metálica descarregada segura por um isolante. 3.2.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 2 Base do eletroscópio 1 Grampo para as hastes redondas 1 Placa condutora com grampo para haste redonda 1 Folhas de papel áspero, secas - 3.2.3 Procedimentos Experimentais 1. Fixe o grampo na haste de polipropileno pelo ponto médio e coloque o grampo na base do eletroscópio, conforme a figura 3. 2. Segurando firmemente uma das extremidades da haste de polipropileno pendurada na base, esfregue a outra metade com o papel de modo a eletrizá-la, criando, portanto, uma balança elétrica. 3. Fixe a placa condutora através dos grampos, na outra haste de polipropileno conforme a figura 14. 16 4. Aproxime a placa condutora do extremo descarregado da balança elétrica (figura 15). 5. Aproxime em seguida a placa do extremo carregado da balança elétrica. 6. Aproxime agora o seu dedo de cada um dos extremos da balança elétrica e observe o que acontece. 3.3 Indução eletrostática em um eletroscópio 3.3.1 Objetivo Verificar a reação da agulha de um eletroscópio quando aproximamos corpos carregados eletricamente. 17 Figura 14: Placa condutora fixa na haste de polipropileno. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. Figura 15: Placa condutora sendo aproximada de uma das extremidades da balança elétrica. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3.3.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Folha de acetato 1 Folhas de papel áspero, secas - 3.3.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a agulha no eletroscópio passando-a pelo orifício central de tal forma que o extremo mais largo (mais pesado) fique para baixo, para que a agulha fique parada na vertical, conforme a figura 16 (cuidado ao manusear a agulha para que esta não amasse). 2. Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel seco e aproxime o extremo carregado da região A da figura 16, sem tocar o eletroscópio. Em seguida repita este procedimento com a haste de acrílico. 3. Aproxime o extremo carregado da haste de polipropileno da parte superior do eletroscópio, sem tocá-lo (figura 17). 18 Figura 16: Eletroscópio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 4. Carregue a folha de acetato atritando-a com o papel e aproxime-a da parte superior do eletroscópio (segurando-a horizontalmente) até que ela incline aproximadamente uns 20 graus. 5. Em seguida, toque a parte inferior do eletroscópio com a mão (figura 16, ponto B) e observe o que acontece. 6. Retire a mão da parte inferior do eletroscópio e observe o que acontece. 4 Armazenamento de Cargas 4.1 Um condutor como um capacitor 4.1.1 Objetivo Verificar com um eletroscópio que corpos condutores podem acumular cargas e que diferentes corpos podem acumular quantidades de cargas distintas. 4.1.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Copo de Faraday com orifício para haste redonda 1 Placa condutora com grampo para haste redonda 1 Folha de acetato 1 Suporte de borracha com orifício para hastes 1 Folhas de papel áspero, secas - 19 Figura 17: Haste sendo aproximada do eletroscópio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 4.1.3 Procedimentos Experimentais 1. Monte o eletroscópio da mesma maneira do experimento anterior. 2. Fixe a placa condutora na haste de polipropileno através dos grampos. 3. Utilizando a haste de acrílico, fixe o copo de Faraday no suporte de borracha (figura 18). 4. Coloque a folha de acetato sobre a mesa e atrite-a com a placa condutora. 5. Toque a base do eletroscópio na parte superior e observe o que acontece. Repita o processo até conseguir o desvio máximo da agulha. 6. Toque alternadamente a placa condutora com a mão e com o eletroscópio. Conte o número de vezes que foi necessário tocar o eletroscópio para a agulha ficar na posição vertical. 7. Atrite a placa condutora na folha de acetato e depois toque a placa no copo de Faraday. Repita este processo três vezes. 8. Descarregue a placa condutora e o eletroscópio tocando-os com as mãos. 9. Toque alternadamente com a placa condutora o copo de Faraday e o eletroscópio e observe o que acontece. 10.Retire a haste de acrílico da base de borracha e descarregue o copo de Faraday. 11. Carregue novamente o eletroscópio como na primeira parte deste experimento e toque alternadamente com o copo de Faraday a sua mão e o eletroscópio. Conte número de vezes que foi necessário tocar o eletroscópio com o copo de Faraday para a agulha voltar à posição vertical. 20 Figura 18: Copo de Faraday fixo no suporte de borracha. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. 4.2 Distribuição de cargas em um copo de Faraday 4.2.1 Objetivo Verificar a distribuição de cargas em um copo de Faraday. 4.2.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Copo de Faraday com orifício para haste redonda 1 Placa condutora com grampo para haste redonda 1 Folha de acetato 1 Suporte de borracha com orifício para hastes 1 Tiras condutoras - Fita adesiva - Folhas de papel áspero, secas - 4.2.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a agulha no eletroscópio, a placa condutora na haste de acrílico e fixe o copo de Faraday no suporte de borracha utilizando a haste de polipropileno (figura 19); 2. Carregue a placa metálica atritando-a na folha de acetato e toque com ela a parte externa do copo de Faraday. Repita este procedimento várias vezes para quer o copo fique carregado. 21 Figura 19: A - Eletroscópio, B - placa metálica e C - copo de Faraday. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 3. Toque com sua mão a placa metálica e o eletroscópio para descarregá-los. 4. Toque alternadamente com a placa metálica a parte externa do copo de Faraday e o eletroscópio. Observe o que acontece com a agulha. 5. Comprove se as cargas no interior do copo de Faraday podem ser transportadas para o eletroscópio. Para isso, carrega-se bem o copo de Faraday (procedimento 2) e descarrega-se o eletroscópio. Toca-se com a placa metálica a parte interna do copo e depois o eletroscópio. Observe o que ocorre com a agulha do eletroscópio. 4.3 Tipos de carga que podem ser acumuladas em um copo de Faraday4.3.1 Objetivo Comprovar com uma lâmpada de neon, se em um copo de Faraday pode acumular cargas negativas quanto positivas. 4.3.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Copo de Faraday com orifício para haste redonda 1 Lâmpada de neon 1 Folhas de papel áspero, secas - 4.3.3 Procedimentos Experimentais 1. Coloque a agulha no eletroscópio e o copo de Faraday no orifício superior do eletroscópio, ver figura 20, tomando o cuidado para que o fundo do copo entre em contato com o eletroscópio. 22 2. Carregue o copo de Faraday com a haste de polipropileno devidamente atritada e comprove com a lâmpada de neon o tipo de carga presente no copo. Repita o procedimento usando a haste de acrílico. 5 Transporte de Carga Um pêndulo transporta carga? 5.1 Objetivo Demostrar que um pêndulo pode transportar carga. 5.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Copo de Faraday com orifício para haste redonda 1 Placa metálica 1 Par de pêndulos 1 Folhas de papel áspero, secas - 5.3 Procedimentos Experimentais 1. Monte o eletroscópio e o copo de Faraday como no experimento anterior. Coloque o par de pêndulos na borda do copo de Faraday, com uma das extremidades por dentro do copo e a outra por fora, assim como indicado na figura 21. 23 Figura 20: Eletroscópio com copo de Faraday. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 2. Atrite a haste de polipropileno com papel e carregue o copo de Faraday. Continue carregando até que a agulha do eletroscópio sofra deflexão máxima. Pegue a placa metálica por uma das garras e aproxime-a muito lentamente do pêndulo exterior. A placa deve estar o mais paralelo possível ao pêndulo, conforme a figura 22. 3. Descreva o movimento do pêndulo e o deslocamento simultâneo da agulha. 6 Deslocamento de Cargas Como as cargas se deslocam em corpos 6.1 Objetivo Estudar se as cargas podem se deslocar em corpos com cargas distintas. 24 Figura 21: Copo de Faraday montado sobre o eletroscópio com agulha. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. Figura 22: Placa metálica próxima ao pêndulo exterior do copo de Faraday. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 6.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Folha de acetato 1 Lâmpada de neon 1 Folhas de papel áspero, secas - 6.3 Procedimentos Experimentais 1. Pegue com firmeza a haste de polipropileno pelo seu centro e atrite energicamente um de seus extremos com papel áspero e seco. Comprove com a lâmpada de neon a carga da haste, primeiro no extremo que não foi atritado e depois no que foi atritado. 2. Segure a haste por um extremo e atrite todo o seu comprimento com o papel. Comprove a carga, com a lâmpada de neon, em pontos distintos (figura 23). 3. Coloque a folha de acetato sobre a mesa e atrite-a com o papel. Levante a folha da mesa e comprove a distribuição de cargas passando por ela um dos extremos da lâmpada de neon. 4. Carregue o eletroscópio com a haste de polipropileno carregada tocando na parte superior do eletroscópio (ponto A na figura 24). Comprove as cargas com a lâmpada de neon, primeiro na parte superior (ponto A) e depois na parte inferior (ponto B). 25 Figura 23: Comprovação de carga em haste de polipropileno. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 5. Carregue outra vez o eletroscópio como no passo 4 e comprove as cargas, primeiro na parte inferior (ponto B) e depois na parte superior (ponto A). 7 Condutores e Não Condutores Distinguir entre materiais que são condutores de não condutores 7.1 Objetivo Estudar com um eletroscópio se corpos distintos são condutores. 7.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Haste metálica 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Copo de Faraday com orifício para haste redonda 1 Placa metálica 1 Lâmpada de neon 1 Folha de acetato 1 Rolha de borracha 1 Tiras condutoras - Folhas de papel áspero, secas - 7.3 Procedimentos Experimentais 1. Carregue o eletroscópio com a haste de polipropileno devidamente 26 Figura 24: Eletroscópio. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. carregada. 2. Pegue sucessivamente com a mão os objetos listados na tabela abaixo e toque com eles a superfície superior do eletroscópio (figura 25). Marque com um x na tabela o que ocorrer com a agulha em cada caso. Obs.: antes de cada prova, o eletroscópio deve ser carregado. Objeto Agulha Não retrocede Retrocede parcialmente Retrocede totalmente Haste metálica Haste de acrílico Rolha de borracha Copo de Faraday segurando com a mão Copo de Faraday na haste de acrílico Placa metálica segurada pela mão Placa metálica na haste de acrílico Tiras condutoras Lâmpada de neon 8 Descarga de Corpos Descarga usando chama 27 Figura 25: Materiais para distinção entre condutores e não condutores. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 8.1 Objetivo Demostrar que um pêndulo pode transportar carga. 8.2 Material Utilizado Material Quantidade Haste de polipropileno (cinza) 1 Haste de acrílico (transparente) 1 Eletroscópio com agulha metálica 1 Placa metálica 1 Folha de acetato 1 Fósforo - Folhas de papel áspero, secas - 8.3 Procedimentos Experimentais 1. Monte o eletroscópio de agulha e prenda a placa metálica a uma haste de polipropileno; 2. Carregue a placa metálica atritando-a na folha de acetato e aproxime-a do eletroscópio (figura 26). Sustente a placa metálica durante uns dois segundos a 10 cm de uma chama e volte a aproximá-la do eletroscópio; 3. Repita o procedimento, mas no lugar da placa metálica, utilize uma haste de acrílico atritada com papel. 4. Carregue o eletroscópio com a placa metálica e depois aproxime a chama por cima do eletroscópio (figura 27) Descreva o que acontece. 28 Figura 26: Eletroscópio e placa metálica. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 9 Descargas Elétricas 9.1 Objetivo Observar as diferentes naturezas de interação entre cargas a as causas e efeitos das descargas elétricas. 9.2 Material Utilizado Material Quantidade Gerador Eletrostático (fonte de alta-tensão) 1 Esferas condutoras com suporte isolante 2 Placas condutoras com suporte isolante 1 Fios para ligações 2 Caneco condutor e tela metálica 1 Condutores pontiagudos (alfinete) 2 Vela 1 Fiapos de algodão - Canudo plástico - 29 Figura 27: Aquecimento do eletroscópio por uma chama. Fonte: Série de Escritos PHYWE. La física em experimentos de alunos. Eletrostática. 9.3 Procedimentos Experimentais 1. Eletrize um canudo de plástico e ponha-o em contato com a parede. Justifique o que ocorre. 2. Ligue um polo da fonte a uma esfera condutora isolada e efetue o mapeamento do campo elétrico criado nas proximidades da esfera (monopolo elétrico). Use um fiapo de algodão bem leve para observar este comportamento. Justifique o procedimento efetuado. Faça depois o mesmo para duas esferas isoladas próximas e ligadas aos polos diferentes da fonte (dipolo elétrico). 3. Tome agora um caneco metálico isolado, ligado apenas a um polo da fonte, e observe o comportamento do campo elétrico dentro e fora do mesmo. Justifique os fenômenos observados. 4. Aproxime uma da outra, as duas esferas ligadas á fonte, a ponto de produzir descarga. 5. Provoque a descarga depois com uma das esferas contendo uma ponta metálica e ainda em seguida entre duas pontas (figura 29). Justifique: porque ocorre descarga no ar isolante, o porquê da luminosidade na região, 30 Figura 28: Kit experimental para oestudo de descargas elétricas. o grau de facilidade de descarga ocorrido entre as três situações praticadas. Relacione os fenômenos observados às situações de descarga elétrica verificadas no cotidiano. 6. Observe se com ar bem aquecido, facilita-se ou dificulta-se a descarga. Observe na chama de uma vela interposta entre duas esferas carregadas o vento elétrico (figura 30). Procure justificar os fenômenos observados. Observe em seguida a descarga provocada pela fonte numa lâmpada de gás. Onde foi mais fácil se produzir a descarga: na lâmpada ou na atmosfera? Justifique: Referências [1] Halliday, David – Fundamentos de física, volume 3: Eletricidade e magnetismo, 8ª ed. Rio de Janeiro, LTC, 2009. [2] Sears e Zemasnky’s, Física III eletromagnetismo, 12ª ED, São Paulo, Addison 31 Figura 29: O poder das pontas. Figura 30: O vento elétrico. Wesley, 2009. 32 1 Eletrização por Contato 1.1 Demonstração dos tipos de cargas em corpos atritados 1.1.1 Introdução Teórica 1.1.2 Objetivo 1.1.3 Material Utilizado 1.1.4 Procedimentos Experimentais 1.2 Demonstração dos tipos de cargas em filmes e placas 1.2.1 Objetivo 1.2.2 Material Utilizado 1.2.3 Procedimentos Experimentais 2 Efeitos da Força Elétrica 2.1 Força entre corpos carregados – 1 2.1.1 Objetivo 2.1.2 Material Utilizado 2.1.3 Procedimentos Experimentais 2.2 Força entre corpos carregados – 2 2.2.1 Objetivo 2.2.2 Material Utilizado 2.2.3 Procedimentos Experimentais 2.3 Modelo de um eletroscópio 2.3.1 Objetivo 2.3.2 Material Utilizado 2.3.3 Procedimentos Experimentais 2.4 O funcionamento de um eletroscópio 2.4.1 Objetivo 2.4.2 Material Utilizado 2.4.3 Procedimentos Experimentais 3 Indução Elétrica 3.1 Indução eletrostática com condutores e não-condutores 3.1.1 Objetivo 3.1.2 Material Utilizado 3.1.3 Procedimentos Experimentais 3.2 Efeito de uma força sobre um corpo com indução eletrostática 3.2.1 Objetivo 3.2.2 Material Utilizado 3.2.3 Procedimentos Experimentais 3.3 Indução eletrostática em um eletroscópio 3.3.1 Objetivo 3.3.2 Material Utilizado 3.3.3 Procedimentos Experimentais 4 Armazenamento de Cargas 4.1 Um condutor como um capacitor 4.1.1 Objetivo 4.1.2 Material Utilizado 4.1.3 Procedimentos Experimentais 4.2 Distribuição de cargas em um copo de Faraday 4.2.1 Objetivo 4.2.2 Material Utilizado 4.2.3 Procedimentos Experimentais 4.3 Tipos de carga que podem ser acumuladas em um copo de Faraday 4.3.1 Objetivo 4.3.2 Material Utilizado 4.3.3 Procedimentos Experimentais 5 Transporte de Carga 5.1 Objetivo 5.2 Material Utilizado 5.3 Procedimentos Experimentais 6 Deslocamento de Cargas 6.1 Objetivo 6.2 Material Utilizado 6.3 Procedimentos Experimentais 7 Condutores e Não Condutores 7.1 Objetivo 7.2 Material Utilizado 7.3 Procedimentos Experimentais 8 Descarga de Corpos 8.1 Objetivo 8.2 Material Utilizado 8.3 Procedimentos Experimentais 9 Descargas Elétricas 9.1 Objetivo 9.2 Material Utilizado 9.3 Procedimentos Experimentais Referências
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