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RELATORIO VAN DE GRAAF - Fisica III

UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTÔNIO CARLOS FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS DE CONS. LAFAIETE Curso: ENGENHARIA DE SEGURANÇA DO TRABALHO

UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTÔNIO CARLOS FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS DE CONS. LAFAIETE Curso: ENGENHARIA DE SEGURANÇA DO TRABALHO

Relatório de Física referente à aula prática em laboratório, ministrada pela professora Elizabeth Rodrigues, sobre campo elétrico, distribuição de cargas e poder das pontas através de experimento com o gerador de Van de Graaff.

3º Período ? Engenharia de Segurança do Trabalho ANDRÉ GERALDO EVANGELISTA ? Nº. Mat.:091-014309 FABIANA DA SILVA ? Nº. Mat.: 082-003649 RENATA PRISCILA FONSECA RIBEIRO ? Nº. Mat.:082-000923

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 4

a) Objetivos .................................................................................................................... 4

b) Fundamentos teóricos................................................................................................. 4

2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:..................................................................... 11

2.1 ? Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos............................. 11

2.2 ? Procedimento II: O Poder das Pontas ................................................................... 13

2.3 ? Procedimento III: Linhas de força em um campo elétrico..................................... 14

2.4 ? Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão............................................. 17

3 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 20

1 INTRODUÇÃO No dia 14 de outubro de 2009, sob a orientação da professora Elizabeth Rodrigues, realizamos no laboratório da Universidade Presidente Antônio Carlos em Conselheiro Lafaiete a primeira aula experimental de física III.

a) Objetivos Demonstrar visualmente a existência das linhas de força através do mapeamento de campo elétrico gerado pela produção de uma tensão com um gerador de Van de Graaf excitando eletrodos de formatos diferentes, interpretando o comportamento do campo elétrico nas proximidades de dois eletrodos de formatos diferentes configuração das linhas de forças entre eletrodos de formatos diferentes e Interpretar o comportamento do campo elétrico nas proximidades de dois eletrodos de formatos diferentes.

b) Fundamentos teóricos Gerador de Van de Graaff Robert Van de Graaff (1901-1967), físico Americano, foi o criador do instrumento. Ele construiu o primeiro destes geradoresr que levou seu nome em 1931, com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta (da ordem de 20 milhões de volts) para acelerar partículas carregadas que se chocavam contra blocos fixos. Os resultados das colisões nos informam das características dos núcleos do material que constituem o bloco.

O gerador de Van de Graaff é um gerador de corrente constante, enquanto que a bateria é um gerador de voltagem constante, o que varia é a intensidade dependendo de quais os aparelhos O Gerador Van de Graaff é uma máquina que utiliza uma Correia Móvel para acumular O gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 200 kV, sua esfera tem 18 cm de diâmetro, é removível e dispõe de conexões para aterramento. A sustentação é construída em acrílico e possui articulação na ligação com a base, mede 45 cm de altura. A correia de borracha tem 6 cm de largura e se movimenta sobre 04 polias (19 mm de diâmetro), acionada por um motor elétrico de 1/8 de HP funcionando em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local de energia e é munido de controle eletrônico da velocidade de rotação do motor. O conjunto está fixado em uma base metálica cujas dimensões são (40x30x2)cm. O conjunto é integrado por uma cuba de vidro, 7 eletrodos, 2 fixadores de eletrodos, 2 cabos de ligações e torniquete eletrostático.

(positiva ou negativamente) através desta correia., Por sua vez, esta correia, é carregada pelo atrito entre a polia e a correia (como se alguém continuamente esfregasse um bastão de plástico em um pedaço de feltro e encostasse o bastão na correia). Em pequenos geradores como este, a diferença de potencial é da ordem de KV (Quilovolt), enquanto que nos grandes aceleradores ela pode ultrapassar 10 MV.

Potencial elétrico ? superfície equipotencial - é a propriedade com que um corpo energizado tem de conseguir realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. Com relação a um campo elétrico interessa-nos a capacidade de realizar trabalho, associada ao campo em si, independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo. Para medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial elétrico. Para obter o potencial elétrico de um ponto, coloca-se nele uma carga de prova q e mede-se a energia potencial adquirida por ela. Essa energia potencial é proporcional ao valor de q. Portanto, o quociente entre a energia potencial e a carga é constante. Esse quociente chama-se potencial elétrico do ponto.

Campo elétrico - linha de força - Um campo eléctrico é o campo de força provocada por cargas eléctricas (eletrons, protons ou ions) ou por um sistema de cargas. Cargas eléctricas num campo eléctrico estão sujeitas a uma força eléctrica. A fórmula do campo eléctrico é dada pela relação entre a força eléctrica F e a carga de prova q O conceito de Campo Elétrico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb:

Ou seja, para uma carga puntiforme, a expressão para o campo elétrico obtém a forma:

Também é possível calcular o campo elétrico a partir da diferença de potencial:

A expressão acima diz que o campo elétrico tem sentido da direção de maior potencial A figura abaixo representa a expressão acima para uma carga positiva e uma carga negativa.

Figura 3: Representação vetorial do campo de uma carga puntiforme positiva e negativa

Define-se campo elétrico como uma alteração colocado no espaço pela presença de um corpo com carga elétrica, de modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará sua presença. Através de curvas imaginárias, conhecidas comumente pelo nome de linhas de As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo de todo o espaço afetado. Se a carga de origem do campo for positiva, uma carga negativa introduzida nele se moverá, espontaneamente, pela aparição de uma atração eletrostática. Pode-se imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos. É usual medir essa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à definição de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a quantidade da carga geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade de potencial elétrico é o volt, equivalente a um Coulomb por metro. A diferença de potenciais elétricos entre pontos situados a diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão A intensidade do campo elétrico se define como a força que esse campo exerce sobre uma carga contida nele. Dessa forma, se a carga de origem for positiva, as linhas de força vão repelir a carga de prova, e ocorrerá o contrário se a carga de origem for negativa.

2. Tem em um dado ponto do espaço, direção da linha que une a carga ao ponto, e sentido divergente (para cargas positivas) e convergente (para cargas negativas). 3. Tem módulo proporcional ao valor da carga e, inversamente proporcional ao quadrado da 4. É medido, no SI, em Newton por Coulomb.

Processos de Eletrização Existem três tipos de Eletrização de corpos: 1- Eletrização por Atrito Tem-se a eletrização por atrito quando atrita-se dois corpos . Ex.: pegando-se um canudinho de refrigerante e atritando-o com um pedaço de papel (pode ser higiênico); observa-se através de experimentos que ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas , porem de sinais contrários.

Figura 4: Eletrização por atrito 2- Eletrização por Contato Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, observa-se que ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal. Ex.: tendo-se um bastão carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se as esfera com este bastão verifica-se que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão.

3 - Eletrização por Indução A indução ocorre quando se tem um corpo que esta inicialmente eletrizado e é colocado próximo a um corpo neutro. Com isso, a configuração das cargas do corpo neutro se modifica de forma que as cargas de sinal contrário a do bastão tendem a se aproximar do mesmo. Porém, as de sinais contrários tendem a ficar o mais afastadas possível. Ou seja, na indução ocorre a separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo neutro ou corpo induzido.

2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS: 2.1 ? Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos Material necessário: ? Torniquete eletrostático.

a) Cortar tiras de papel alumínio (5mm x 60 mm) e fixar na superfície externa da esfera b) Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade média de rotação do Ao ligarmos o gerador, o potencial elétrico da esfera devidamente isolada é zero. Mantendo-se constante a diferença de potencial da fonte, ocorrem transferências contínuas de cargas elétricas até que a esfera adquira o mesmo potencial elétrico da fonte. Desta forma a distribuição regular das cargas no corpo da esfera forma um campo elétrico de direção radial e com orientação para o centro da mesma.

Nos condutores as cargas se concentram nas superfícies. Por isso quando repetimos a experiência, desta vez, afixando as fitas de alumínio na parte interna da esfera, nada se observa pois neste local o campo elétrico é nulo. O que se explica pela lei de Gauss. ?Qualquer excesso de cargas colocado em um condutor isolado se moverá inteiramente para a superfície do condutor. Nenhum excesso de carga será encontrado no interior do corpo do condutor?.

Figura 7: Gerador de Van de Graaff d) Pegar com a mão ?fiapos? de algodão e aproximá-los da esfera do gerador, A esfera induz cargas nos fiapos de algodão, sendo que as cargas de sinal oposto ao da esfera ficam mais próximas da esfera do que as cargas de mesmo sinal, causando como resultado, uma atração.

2.2 ? Procedimento II: O Poder das Pontas b) Ligar o gerador eletrostático e regular para velocidade de rotação média. O torniquete começou a girar. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas do torniquete o ar se ioniza e os íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas são repelidas. Esses por sua vez repelem as pontas (forças de reação) determinando a rotação do torniquete em sentido anti-horário e com velocidade elevada.

Figura 8: Gerador de Van de Graaff d) Fazer uma pessoa que esteja com os cabelos bem secos ficar em pé sobre a base isolada (isopor) com as mãos em contato com a esfera do gerador. Ligar o gerador observando o que acontece com os cabelos da pessoa.

A eletrização da pessoa por contato faz com que por indução, se acumulem nos cabelos cargas de mesmo sinal que o da esfera. Como as cargas presentes em cada fio de cabelo que fica eletrizado com cargas da mesma polaridade, que conseqüentemente se repelem, o que provoca o eriçamento do cabelo.

A conclusão que se pode tirar é que em torno da esfera eletrostática cria um campo elétrico e que esse campo elétrico aponta para fora. Ao aproximarmos o algodão da esfera, as cargas eletrostática induz cargas nos fiapos de algodão, sendo que as cargas de sinal oposto ao da esfera ficam mais próximas da esfera do que as cargas de mesmo sinal, causando como resultado, uma atração. Ao colocarmos o torniquete e ligarmos o gerador, o torniquete começou a girar. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas do torniquete o ar se ioniza e os íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas são repelidas. Esses por sua vez repelem as pontas (forças de reação) determinando a rotação do torniquete em sentido anti- A eletrização da pessoa por contato faz com que por indução, se acumulem nos cabelos cargas de mesmo sinal que o da esfera. Como as cargas presentes em cada fio de cabelo são de mesmo sinal, ocorre uma força de repulsão entre eles, o que provoca o eriçamento do cabelo.

2.3 ? Procedimento III: Linhas de força em um campo elétrico Material necessário: ? 2 cabos de ligações;

b) Colocar óleo de soja na cuba de acrílico, uma camada de aproximadamente 3 mm, de c) Espalhar sobre o óleo um pouco de farinha de mandioca.

d) Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade média de rotação. Observar o aspecto que apresenta o campo elétrico que irá aparecer entre os dois eletrodos, cuja configuração se materializará pela distribuição adquirida pelas partículas no óleo. Se houver dificuldade em estabelecer o campo elétrico, deve-se isolar com esmalte as partes dos eletrodos que ficam imersas no interior do óleo. Os eletrodos possuem cargas elétricas puntuais de mesmo módulo e sinais opostos. Sob a influência do campo elétrico gerado por essas cargas, a farinha foi se orientado de acordo com as linhas de forças (figura 11), caracterizando a configuração o campo elétrico entre os dois eletrodos.

Figura 11: Linha de força ? experimento letra A Neste experimento (figura 12) os condutores são círculos maciços, as cargas estão armazenadas todas na casca da esfera, um dos condutores esta carregado positivamente e o outro negativamente, sendo assim começa a atração das cargas formando um campo elétrico nas partes mais próximas entre os condutores, algumas linhas do campo elétrico tendem ao infinito por estarem afastado um do outro.

Figura 12: Linha de força ? experimento letra B Figura 13: Linha de força ? experimento letra C

Neste experimento (figura 14) o primeiro condutor possui uma ponta, as cargas se acumulam nela. O campo elétrico é formado pela ponta e o segundo condutor, algumas linhas tendem ao infinito, pois estão afastadas.

Figura 14: Linha de força ? experimento letra D Neste experimento (figura 15) um condutor circular é colocado dentro de um condutor circular oco, então o campo elétrico é formando dentro do condutor circular oco, pois o campo elétrico vai ser formado entre o condutor maciço e o oco.

Figura 15: Linha de força ? experimento letra E 2.4 ? Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão Material necessário: ? uma esfera de cabo isolante;

Objetivo do experimento: 3. Concluir a importância da pressa (a que um gás é submetido) e da distância 4. Descrever as condições necessárias para uma descarga elétrica através de um gás a alta pressão.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Figura 16: Gerador de correia com bastão

Resultado Foi verificado que o gás em questão é o ar atmosférico. No momento em que aproximamos o bastão de teste ao Gerador ocorreu uma transferência visível de elétrons de um corpo para o outro. Essa transferência é denominada descarga elétrica, que é o rompimento de elétrons no ar.

Figura 17: Aproximação do bastão de teste junto à cabeça do gerador

A transferência é parecida com o fenômeno natural, os raios, possuindo até mesmo uma cor parecida, sendo esbranquiçado e com o espectro combinado do oxigênio e do nitrogênio. O raio algumas vezes parece possuir outras cores, quando ocorre em ambientes e meios diferentes. Em contraste com o amarelo das luzes artificiais, o raio pode parecer azulado e vice-versa.

3 CONCLUSÃO Pode-se concluir que o experimento atingiu o objetivo proposto para o aprendizado, de forma que através de uma configuração simples conseguiu-se visualizar com clareza a formação dos campos elétricos pelas linhas equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado. Pôde-se notar o seu comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca de configuração e disposição dos materiais usados nos experimentos.

Portanto pode-se comprovar que as linhas de força são sempre perpendiculares às superfícies metálicas dos eletrodos desta forma nunca podendo ser paralelas aos mesmos, pois as linhas demonstram o trajeto do campo elétrico de um eletrodo ao outro como que se formando uma ponte entre eles para a circulação da corrente elétrica, constatou-se assim, a existência do campo elétrico e fez-se o seu mapeamento com o auxilio da farinha de mandioca sobre o óleo de rícino.

Com o conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido a principio, vislumbra-se pelos experimentos realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica. Com relação ao alinhamento da farinha de mandioca, ao contrário dos materiais condutores, os dielétricos podem armazenar energia em seu interior. Isso é possível porque ao se aplicar um campo elétrico externo em um dielétrico não ocorre a movimentação de cargas livres, mas um deslocamento relativo nas posições das cargas negativas (elétrons) e positivas, dando origem às cargas polarizadas.

Somente com a aplicação de um campo elétrico é que as cargas positivas e negativas se deslocam buscando um alinhamento na direção das linhas de força do campo em uma formação, por esta razão é que as partículas de farinha de mandioca se alinham quando energizados os eletrodos.

4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS HALLIDAY, D., Resnick, R. Walker, J - Fundamentos de Física 3 ? Tradução BIASI Ronaldo Sérgio de, - Rio de Janeiro: Livros técnicos e Científicos Editora, 7a Edição, 2007.

http://ciencia.hsw.uol.com.br/geradores-van-de-graaff.htm - acesso em 17 de outubro de 2009.

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