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Um experimento que visa identificar um campo elétrico e suas linhas de força, medir a diferença de potencial entre os pontos desse campo e demonstrar o funcionamento da gaiola de faraday. O experimento utiliza materiais como um tanque transparente com escala projetável, eletrodos cilíndricos, água e uma fonte de energia, e é realizado em duas partes, a primeira sobre as superfícies equipotenciais entre eletrodos planos paralelos e a segunda sobre a gaiola de faraday e a blindagem eletrostática. Os dados coletados são apresentados em tabelas e analisados para demonstrar as propriedades do campo elétrico e a eficácia da gaiola de faraday.
Tipologia: Trabalhos
Compartilhado em 01/12/2022
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Estudantes: Clarissa Giovanni Pietra Wendeborn Zinezi dos Reis Maria Eduarda Vicentin Zanin Docente Responsável: Profa. Valéria C. R. Sarnighausen Outubro/ Sumário
Objetivo................................................................................................................. 3 1.Introdução ...................................................................................................... 3 2.Materiais e Métodos .......................................................................................... 4 3.Resultados e Discussão .................................................................................. 4 4.Conclusão ........................................................................................................ 4 Referência.............................................................................................................. 4
O experimento visou identificar um campo elétrico e suas linhas de força, para então, medir a diferença de potencial entre os pontos desse campo, ou seja, analisar as linhas envolta dos eletrodos para traçar linhas equipolentes no campo elétrico e observar
Fonte: https://www.preparaenem.com/fisica/forca-eletrica.htm O estudo acerca dessa interação é fundamental para que entendamos os comportamentos dos corpos, pois, como seus componentes fundamentais apresentam natureza elétrica, então toda matéria tem como característica intrínseca o comportamento elétrico, sendo ele: 1.Corpo Eletricamente Positivo: quando a quantidade de prótons é maior que a de elétrons; 2.Corpo Eletricamente Neutro: quando a quantidade de prótons é igual a de elétrons; 3.Corpo Eletricamente Negativo: quando a quantidade de elétrons é superior à quantidade de prótons. Ressalta-se que as partículas em movimento nos corpos são os elétrons, logo, o excesso ou falta de cargas positivas em relação ao equilíbrio dá-se pela falta ou excesso de elétrons nos corpos, de acordo ao seu movimento e deslocamento. Logo, para definir a força de interação entre os corpos elétricos pontuais, foi postulada a “Lei de Coulomb” (Equação 1), definindo a intensidade de tal grandeza proporcionalmente às cargas dos corpos envolvidos e à distância que os separa. Equação 1- Lei de Coulomb: “Força Elétrica entre cargas pontuais” F = K 0
d 2 S.I.: N = Newtons
Os campos elétricos surgem por meio carga elétrica em determinada região que modifica as propriedades ao redor dessa região. Já uma superfície equipotencial é quando em um campo elétrico todos os pontos apresentam o mesmo potencial, além disso, essa superfície é interceptada perpendicularmente pelas linhas de força do campo elétrico, isso acontece para facilitar a representação das superfícies equipotenciais, não obstante, as superfícies equipotentes e as linhas de força devem ser planas quando o campo elétrico for uniforme. As linhas de força surgem como um artificio para analisar o sentido do campo elétrico produzido por cargas elétricas, esse conceito criado por Michael Faraday, um físico britânico, desenha essas linhas imaginárias de modo que sua tangente em qualquer ponto aponte no sentido do vetor do campo elétrico naquele ponto. Quando uma carga de prova (q) é colocada em um ponto do espaço e sofre uma ação de uma força (F), se diz que a razão entre (F) e (q) é igual ao módulo do campo elétrico (E) naquele ponto. Se um condutor elétrico apresenta equilíbrio em sua superfície, esta superfície é equipotencial, então se tem que W=q(Vb-Va) onde (W) é o trabalho da forca elétrica e (Vb-Va) é a diferença de potencial elétrico. Dessa forma, quando A e B estão na mesma superfície equipotencial o potencial elétrico é igual, ou seja, Va=Vb, forma uma variação nula. Por fim, a Gaiola de Faraday foi um experimento para demonstrar que uma superfície condutora eletrizada tem um campo elétrico nulo no interior da “gaiola” visto que as cargas se distribuem homogeneamente na parte mais externa. Uma aplicação muito conhecida para a Gaiola de Faraday é o carro. Figura 6- Exemplo da “Gaiola de Faraday” Fonte: https://www.mundodaeletrica.com.br/gaiola-de-faraday-o-que-e-qual-a-sua-aplicacao/
Figura 0- Posicionamento das hastes metálicas sobre os eixos da cuba Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores Com o interruptor do sistema desligado, os dois cabos pretos são conectados, um a cada eletrodo e, respectivamente, à fonte de alimentação e ao multímetro. Com os cabos conectados e o interruptor do sistema ainda desligado, a fonte e o multímetros são ligados e ajustados às escalas de 10VVC (voltagem de corrente contínua) e 20 V, respectivamente. Por fim, o sistema é ligado para observação do comportamento elétrico. Para tal estudo, a ponteira vermelha é colocada entre os dois eletrodos é movida lentamente entre ele, em diversas direções, simultaneamente à coleta de dados dos valores apresentados pelo voltímetro (Imagem O). Imagem O- Coleta de dados potenciais entre eletrodos planos
Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores Além do uso das hastes, o primeiro experimento também analisou o comportamento elétrico de uma carga pontual. Para isso, os eletrodos planos foram retirados e os fios a eles conectados foram conectados nos eletrodos redondos. Tais eletrodos foram colocados sobre os mesmos eixos de escala das hastes retiradas (Imagem N) e, com a ponteira em movimento lento, em diversas direções, foi simulado o comportamento das linhas de campo de uma carga pontual (Imagem M). Figura N- Configuração do eletrodo redondo no sistema
Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores Já o segundo experimento visou o uso da Gaiola de Faraday e a consequente blindagem eletrostática. A configuração de montagem foi a mesma do experimento anterior, mas o eletrodo cilíndrico oco foi colocado entre os eletrodos planos (Figura X). Figura X – Configuração do sistema com eletrodo cilíndrico
Fonte: Roteiro da Prática 6: “Eletricidade”, Laboratório de Física II Dessa forma, a coleta de dados será feita com a ponteira de tomada entre os eletrodos planos e, depois, na região interna do cilindro; sempre observando o multímetro para identificar a variação na leitura dos valores obtidos (Imagem T). Figura T- Análise da Gaiola de Faraday e blindagem eletrostática
70 x 80 x 90 x Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores Já para a análise dos dados coletados sobre a voltagem dentro do cilindro metálico em simulação à Gaiola de Faraday, as tabelas para armazenamento de dados foram separadas entre os eixos vertical e horizontal da dimensão cilíndrica (Tabela J). Tabela 1- Modelos de armazenamento de dados da voltagem interna de um cilindro metálico Escala Horizontal Voltagem 35 x 55 x 75 x Escala Vertical Voltagem -20 x 0 x 20 x Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores *’X’: são os valores experimentais correspondentes a cada escala da cuba;
Experimento 1- Superfícies equipotenciais entre eletrodos planos paralelos. Abaixo estão apresentados os valores obtidos a partir do uso dos eletrodos planos paralelos no tanque transparente com escala projetável. Tabela 1 - Leitura com os eletrodos planos paralelos na horizontal Linha Voltagem (V) 10 10, 0 7, 10 6, 20 5,
Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores Tabela 2 - Leitura com os eletrodos planos paralelos na vertical Linha Voltagem (V) 0 3, 10 3, 20 3, 30 3, 40 3, 50 3, 60 3, 70 3, 80 3, 90 3, 100 3, Fonte: Obtido pelos próprios experimentadores De acordo com os valores observados no multímetro, conforme a ponteira de tomada de dados se aproxima do eletrodo oposto, a voltagem é reduzida. Porém, quando
De acordo com os valores obtidos, ao mover a ponteira de tomada de dados na parte externa do cilindro, a variação da voltagem é grande. Já na parte interna do cilindro, conforme a teoria da gaiola de Faraday, houve variação mínima na leitura do multímetro, demonstrando possuir um campo elétrico nulo, visto que as cargas encontram-se distribuídas em sua superfície, e sem interferência externa de campos elétricos. Consequentemente, a diferença de potencial é inexistente no interior da gaiola, sendo observada apenas na parte externa.
O objetivo de identificar um campo elétrico e suas linhas de força com o intuito de medir a diferença de potencial entre os pontos desse campo foi atingida visto que a teoria de campo elétrico e linhas de força foram colocadas em prática com sucesso, podendo ser observado como essas linhas se comportam em determinadas situações tanto em placas paralelas quanto em anéis. Foi desenvolvido habilidades e competências para então identificar as diferenças de potenciais.
Brito, L., Fiolhais, M. e Providência, C., Campo Electromagnético , McGraw Hill, 1999. Ferreira, M. (2014), Revista de Ciência Elementar, 2(02): HALLIDAY,D.; WALKER, J.;RESNICK R. Fundamentos de Física. 10.ed., Rio de Janeiro: LTC, 2010. v.3.
