MCS, Tema 8, Relatório de eletrostática e eletromagnetismo

MCS, Tema 8, Relatório de eletrostática e eletromagnetismo

(Parte 1 de 2)

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Curso de Licenciatura em Ciências

Disciplina de Laboratório Didático I

Relatório de Eletricidade

Michelle Cândida dos Santos nºUSP 748085

Pólo Piracicaba 2

Piracicaba, março de 2011

  1. Introdução

É através do átomo que se formam todos os objetos existentes no universo. É constituído de nêutrons, prótons e elétrons, os mesmos possuem respectivament carga neutra, carga positiva e carga negativa. O elétron possui uma carga negativa de -1,6x10-19 Coulomb (C), o próton possui a mesma carga, porém positiva.

Cada átomo em seu estado natural apresenta o mesmo número de elétrons e o mesmo número de prótons, assim ele se mantém estável. Os fenômenos da eletrostática ocorrem quando a quantidade de elétrons gera cargas positivas ou negativas em relação à carga elétrica dos núcleos dos átomos. Quando existe um excesso de elétrons em relação aos prótons, diz-se que o corpo está carregado negativamente. Quando existem menos elétrons que prótons, o corpo está carregado positivamente. Um corpo carregado negativamente, ou positivamente deve atrair o outro que possui carga oposta, e corpos carregados com mesma carga se repelem. Se o número total de prótons e elétrons é equivalente, o corpo está num estado eletricamente neutro.

Estabelecer uma corrente elétrica em metais é fácil, pois um ou mais dos elétrons das camadas mais externas desses átomos não estão firmemente presos aos núcleos. Ao contrário, eles são praticamente livres para vagar pelo material. Tais materiais são chamados de condutores. Os metais são bons condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual são bons condutores de calor. Os elétrons de suas camadas mais externas estão “frouxos”.

Em outros materiais, borracha e vidro, por exemplo, os elétrons estão firmemente ligados e pertencem de fato a átomos individuais. Eles não são livres para vagar por entre os outros átomos do material. Consequentemente, não é fácil fazê-los fluir. Esses materiais são maus condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual eles são normalmente maus condutores de calor. Esses materiais são chamados isolantes.

Uma determinada substância pode ser classificada como condutora ou isolante, dependendo de quão fortemente seus átomos seguram os elétrons. Um pedaço de cobre é um bom condutor, enquanto um de madeira é um bom isolante. Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores nem bons isolantes. Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura tornando-se excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina. Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores. Camadas finas de materiais semicondutores empilhadas juntas formam os transistores, usados para controlar o fluxo de corrente em circuitos, detectar e amplificar sinais de rádio e produzir oscilações elétricas em transmissores; atuam também como chaves digitais.

Um condutor oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica. Um isolante oferece uma resistência muito maior. Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinados materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga. Esses são os materiais supercondutores. Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Sem resistência elétrica alguma, a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga. A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911 por Kammerlingh Onnes que a observou no mercúrio sólido (à temperatura de 4,2 K). Em 1987, foi descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto não-metalico. Recentemente, materiais supercondutores são alvos de intensas pesquisas tanto em baixas como em altas temperaturas. Os potenciais de aplicações incluem transmissão de energia a grandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens.

1.3 Processos de Eletrização

Eletrizar um corpo eletricamente neutro é tornar diferente o número de cargas positivas do número de cargas negativas. Isso só é possível acrescentando ou retirando elétrons do corpo, tendo em vista que as cargas positivas, das quais os prótons são os portadores, encontram-se no núcleo dos átomos sendo impossível movimentá-las. São três as maneiras pelas quais é possível eletrizar um corpo eletricamente neutro:

• por atrito

• por contato

• por indução

1.3.1 Eletrização por Atrito

Ao atritarmos dois corpos de substâncias diferentes, inicialmente neutros, haverá a transferência de elétrons de um para o outro, de modo que um estará cedendo elétrons, ficando eletrizado positivamente, ao passo que o outro estará recebendo elétrons ficando eletrizado negativamente.

A eletrização por atrito é mais intensa entre corpos isolantes do que entre condutores, pois nos isolantes as cargas elétricas em excesso permanecem na região atritada, ao passo que nos condutores, além de se espalharem por todo ele, há uma perda de carga para o ambiente.

1.3.2 Eletrização por Contato

Algumas vezes tomamos choque ao tocarmos a maçaneta da porta de um automóvel, ou um móvel de aço no qual não há nenhum tipo de instalação elétrica que pudesse justificá-lo. Esse fenômeno está relacionado com o processo de eletrização por contato. Consideremos uma esfera de metal eletrizada negativamente (esfera A) e uma outra esfera de metal eletricamente neutra (esfera B), como na figura1.

Figura 1. Corpo eletrizado (A) e corpo eletricamente neutro (B)

Como o condutor A está eletrizado negativamente, todos os seus pontos estão com o mesmo potencial elétrico negativo ao passo que o condutor B tem potencial elétrico nulo, pois está eletricamente neutro.

Ao estabelecermos o contato entre ambos através de um fio condutor, haverá passagem de cargas elétricas (elétrons livres) num único sentido (corrente elétrica) pelo fio, pois uma de suas pontas estará com o potencial elétrico negativo de A e a outra com o potencial nulo, ou seja, haverá uma diferença de potencial elétrico (ddp) nos terminais do fio.

Os elétrons irão, espontaneamente, do menor potencial elétrico (negativo) para o maior potencial elétrico (nulo), ou seja, do condutor A para o condutor B mostrado na figura 2.

Figura 2. Condução de eletros de A para B

A cada elétron que A perde, seu potencial elétrico aumenta. O condutor B, por sua vez, a cada elétron que ganha, tem seu potencial elétrico diminuído. Essa troca de elétrons continuará acontecendo enquanto houver diferença de potencial elétrico nos terminais do fio, isto é, enquanto os potenciais elétricos de A e B forem diferentes. Quando os potenciais elétricos se igualarem, dizemos que se atingiu o equilíbrio eletrostático e o condutor B, que antes estava neutro, agora está eletrizado, cessando a troca de elétrons.(2)

1.3.3 Eletrização por Indução

Dois corpos, A e B, sendo A positivamente eletrizado e B um corpo eletricamente neutro, são colocados próximos um do outro sem haver contato.

As cargas positivas de A atraem as cargas negativas de B. Se aterrarmos o corpo B, as cargas elétricas negativas da terra vão se deslocar para o corpo B. Retirando o condutor que aterra o corpo B e só depois afastar o corpo A. Observamos então que o corpo B ficou negativamente eletrizado.

Este processo é chamado eletrização por indução.

Ao estudar os fenômenos de eletrização é necessário conhecer o que é um eletroscópio. Um eletroscópio é um aparelho capaz de indicar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado ou não. Se ao aproximar um corpo do eletroscópio e este se manter imóvel quer dizer que este corpo esta neutro, logo se ele se mover quer dizer que possui excesso de cargas elétricas (positivas, ou negativas). Outro aparelho de grande importância é o gerador de Van de Graff que é um gerador de cinta que serve para produzir altas tensões continuas com uma intensidade de corrente relativamente baixa.

2.Força eletromagnética

A força que um campo eletromagnético exerce sobre cargas elétricas, chamada força eletromagnética, é uma das quatro forças fundamentais. As outras são: a força nuclear forte (que mantém o núcleo atômico coeso), a força nuclear fraca (que causa certas formas de decaimento radioativo), e a força gravitacional. Quaisquer outras forças provêm necessariamente dessas quatro forças fundamentais.

A força eletromagnética tem a ver com praticamente todos os fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade. Isso porque as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por prótons, elétrons, ou seja, por cargas elétricas. Do mesmo modo as forças eletromagnéticas interferem nas relações intermoleculares, ou seja, entre nós e quaisquer outros objetos. Assim podem-se incluir fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

2. Procedimento

Atividades de eletrostática

2.1. Canudinho / Papel toalha

  1. Atritar um canudo de refresco com papel toalha e verificar se ele “gruda” na parede, bancada ou próprio corpo. Explicar o processo de eletrização e da atração do canudinho com outros materiais;

  2. Passar os dedos ao longo do canudinho eletrizado e verificar se ele continua “grudando” na parede. Explicar o que ocorre.

  3. Construa um “versorium” (espécie de bússola eletrostática), usando um canudinho “dobrado” apoiado sobre a ponta de um paltio, de modo que ele possa girar com um pouco de atrito. Verificar e explicar a atração do versorium com o objeto neutro e a repulsão com outro canudinho eletrizado.

    1. Pêndulo eletrostático

Construir um pêndulo eletrostático usando um fio isolante, um pedaço de papel alumínio, suporte feito com canudinho dobrado em L e uma base de gesso.

  1. Aproximar um canudinho eletrizado do pêndulo (sem tocar). Verificar e explicar o que acontece;

  2. Encostar o canudinho eletrizado no pêndulo e veriricar o que acontece depois do toque. Explicar o efeito observado.

  3. Posicionar o pendulo ao lado do pêndulo enquanto o canudinho encosta no papel alumínio do lado oposto. Verificar o efeito “campainha” .

    1. Eletroscópio

Construir um eletroscópio usando uma placa de cartolina ou papel cartão de aproximadamente 4x8 cm, revestido de papel alumínio. Dobrar um clips de metal de modo que ele sirva como suporte para o ponteiro do eletroscópio e como antena de pára-raios. Para a montagem do ponteiro, cortar um pedacinho de canudinho (1 cm) e com uma fita dupla face, colar uma tira de papel alumínio de aproximadamente 4 cm de comprimento. Enfiar o ponteiro nos clipes dobrado e prender o conjunto na placa do lado revestido com o papel alumínio. Colar um canudinho na placa e colocar na base de gesso.

  1. Eletrizar o eletroscópio por meio do contato com um canudinho eletrizado (passar o canudinho no eletroscópio ao longo de todo o seu comprimento para que haja maior transferência de cargas). Verificar se o ponteiro do eletroscópio levanta e explicar o que ocorreu;

  2. Depois de eletrizar o eletroscópio por contato, aproximar novamente o canudinho carregado no eletroscópio, sem toca-lo e verificar e explicar o movimento do ponteiro;

  3. Descarregar o eletroscópio, encostando os dedos. Em seguida, carregar o eletroscópio por indução. Para isso, aproximar o canudo carregado do eletroscópio, sem carregar, e em seguida tocar a parte superior da placa com os dedos, manter o canudo próximo da placa e soltar os dedos. Se a operação for bem sucedida o eletroscópio deverá estar carregado e o ponteiro deverá se levantar. Explicar detalhadamente como ocorre este processo de eletrização por indução e aterramento.

  4. Depois de eletrizar o eletroscópio por indução, aproximar novamente o canudinho carregado, sem toca-lo. Verificar e explicar o movimento do ponteiro.

  5. Descarregar o eletroscópio. Eletrizar um canudinho e passá-lo novamente bem próximo sobre a ponta dos clipes (pára-raios), sem encostá-lo. Verifique se houve eletrização do eletroscópio. Explique o funcionamento de um pára-raios.

    1. Eletróforo de Volta e Garrafa de Leyden

Para esta atividade experimental, utilizar um pedaço de placa de forro de PVC, uma bandeja ou forma de pizza, um tubo isolante com ventosa e uma garrafa de Leyden feita com uma garrafa PET contendo água e revestida de papel alumínio, com uma esfera metálica (puxador de gaveta de armário) ligada a um eletrodo (fio de cobre).

  1. Eletrizar a placa do forro, esfregando-a vigorosamente com um papel toalha. Aproxime o seu braço e sinta se seus pelos ficam eriçados.

  2. Coloque a forma de pizza sobre a placa e encoste sua mão sobre o alumínio. Desencoste a sua mão e levante rapidamente a forma segurando –a pelo tubo isolante. A forma deverá estar eletrizada. Confirme aproximantod a forma do braço e sinta se houve uma faísca.

  3. Repita o processo e encoste a forma de pizza eletrizada na esfera da garrafa de Leyden, segurando a garrafa revestida de papel alumínio. Para que haja um acúmulo de cargas razoável, talvez seja necessário repetir o processo dezenas de vezes.

  4. Juntar um grupo de pessoa e fazer um círculo, todos de mãos dadas, sendo que o último segura a parte externa da garrafa (papel alumínio). Encostar a esfera metálica na mão da primeira pessoa do círculo, de modo a fechar o circuito.

  5. Explicar detalhadamente todo o processo de eletrização e de acúmulo de cargas na garrafa de Leyden e da descarga ocorrida na corrente humana.

2.2. Atividades experimentais – Eletromagnetismo

2.2.1 Determinação da polaridade de um imã

Para as próximas atividades, será utilizado um imã de ferrite. Por isso é necessário inicialmente determinar a polaridade ou a localização dos pólos magnéticos deste imã.

  1. Construa uma bússola, imantando uma agulha com um imã e pendurando-a num suporte com uma linha fina, de modo que a agulha fique na horizontal;

  2. Descubra a direção do campo magnético terrestre da sala de aula (pode-se usar o movimento aparente do Sol como referência).

  3. Sabendo-se a direção e a polaridade do campo magnético terrestre, determine a polaridade magnética do imã de ferrite (lembrando no campo magnético terrestre, o Norte Geográfico é o Sul Magnético).

  4. Cole um pedaço de fita crepe nas faces do imã e anote a polaridade Norte ou Sul.

  5. Confira se o imã de outro grupo as polaridades estão coerentes (pólos iguais se repelem).

  6. Explique todo o processo de construção da bússola e da determinação da polaridade do imã.

2.2.2. Campo magnético de uma bobina (eletroímã)

Podemos obter um campo magnético por meio de uma corrente elétrica, ou seja, um eletroímã.

  1. Construa um eletroímã enrolando um fio de cobre esmaltado em torno de um prego pequeno. Raspe o esmalte isolante dos terminais do fio, usando uma tesoura e ligue-os nos pólos de uma pilha. Verifique se ele atrai objetos ferromagnéticos, como por exemplo, uma moeda.

  2. Agora, verifique o sentido da corrente que passa pelo eletroímã e descubra a polaridade magnética do eletroímã. Ligue-o aos terminais de uma pilha, aproximando-a da agulha e da bússola e confira se acertou a polaridade prevista (Usar a “regra da mão direita”).

  3. Explicar detalhadamente a construção e o funcionamento do eletroímã.

2.2.3. Indução de Faraday (gerador Eletromagnético)

Vimos que podemos criar um campo magnético por meio de uma corrente elétrica (eletroiã). Faraday descobriu que podemos obter uma corrente elétrica induzida por meio de um campo magnético variável proóximo de um fio condutor. Assim, pode-se transformar a energia mecância em energia elétrica por meio de um gerado eletromagnético.

  1. Usando a mesma bobina enrolada no prego, o imã de ferrite e um multímetro digital, verifique a tensão induzida nos terminais da boibina quando há variação no fluxo do campo magnético que passa através das espiras (movimento rápido do imã perto da bobina cujos terminais estão ligados num multímetro na escala de mV ou μA).

  2. Explicar o funcionamento do gerador eletromagnético

      1. Lei de Lenz

A lei de Lenz ou “lei do contra” diz que toda corrente induzida numa espira circula no sentido tal que cria um campo magnético que se opõe a variação do campo indutor.

1. Usando o mesmo aparato expeimental anteiror, descubra o sentido da corrente quando aproximamos ou afastamos o imã da bobina. Verifique experimentalmente o sentido da corrente previsto que passsa através do multímetro digital (verifique o sinal da tensão ou da corrente induzida).

2. Explicar o que ocorre neste experimento

2.2.5 Efeito Motor (Motorzinho elétrico)

Podemos aproveitar a interação dos campos magnéticos de um imã e de uma corrente elétrica num fio, par criar um movimento: transformar a energia elétrica em energia mecância, que é o principio usado nos motores elétricos.

  1. Enrole um pedaço de fio esmaltado (cerca de 50 cm), usando 2 dedos juntos como molde, deixando uma sobra de 5 cm de lado. Prenda as espiras dos dois lados, usando as sobras dos fios.

  2. Usando uma tesoura, raspe os terminais isolantes do fio, sendo que um deles deverá ficar totalmente raspado, sem o esmalte isolante. O outro terminal deverá ser raspado apenas pela metade.

  3. Usando a “regra da mão esquerda”, descubra qual será o sentido de rotação do motor, conhecendo-se o sentido da corrente elétrica e do campo magnético do imã.

  4. Explicar o funcionamento do motor elétrico construído.

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