Caderno de Experimentos de Fisica 3

 

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS  

INSTITUTO DE FÍSICA 

ROTEIROS EXPERIMENTAIS Fenômenos Eletrostáticos, Eletricidade e Magnetismo Magnetismo

FÍSICA EXPERIMENTAL 3

Maceió –  AL  AL 2012.

 

  Índice. Ordem 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º

Material Página Elétricos   01 Usos e Cuidados Com Instrumentos Elétricos (caixa)   Eletrostática (caixa)  06 Cuba eletrolítica  24 eletrolítica  Elétricas     MedidasResistivos Elétricas Resistivos  Circuitos Circuitos RC em série  série   Magnetismo (caixa)   Magnetismo (caixa) Ampère  Lei de Ampère  Terra   Campo Magnético da Terra

27 30 33 36 48 51

 

   

Elétricos   Usos e Cuidados Com Instrumentos Elétricos

Observação: As instruções e procedim pro cedimentos entos dados aqui serão observados para todos os experimentos experimen tos que requeiram equipamentos elétricos.

  O instrumento elétrico éMuitos geralmente caro e delicado 1.  Precauções Gerais.cuidadoso requer manuseio e inteligente. instrumentos elétricose requerem os mesmos cuidados de manuseio como seu relógio “ Mido”.   Vocês serão responsáveis por todos os defeitos nos equipamentos durante as experiências.

As três causas mais freqüentes para quebra de equipamentos elétricos são: a) Manuseio inadequado  b) Conexão Conexão imprópria c) Superaquecimento resultando de correntes excessiva excessivas. s. Quando conectar conectar uum m circuito, sempre que possível insira uma chave. Deixe uma  perna do fio desconectada da bateria e mantenha a chave aberta até que o seu circuito tenha sido “checado” pelo professor. 

2. Equipamentos para Controle e Detecção de Corrente. Um reostato  é um resistor variável, geralmente usado em um circuito a fim de controlar a corrente ou para atuar como um divisor de tensão. A figura 1 mostra as conexões para usarmos um reostato como um resistor variável. Nesse caso, somente um conector das “asas” da espira é utilizado.  

Figura 1 –  Conexão  Conexão de um reostato  para resistor variável variável

A figura 2 mostra como um reostato pode ser usado como um divisor de tensão.  Neste caso, todos os três conectores são usados. O voltímetro somente somente lê a voltagem através da parte CB da asa da espira e assim, movendo-se vagarosamente o contato C é  possível obter-se uma voltagem vvariável. ariável.

Figura 2 –  Reostato  Reostato como divisor de tensã t ensãoo

 

  Usualmente, o fabricante indica a corrente máxima que o equipamento pode suportar e sua resistência. Nunca ultrapasse esta corrente máxima. Suponha que o fabricante afirme que um reostato tem as seguintes características: 25 ohm e 4,8 A. Se ele é conectado numa fonte de 120 V, a corrente seria de 4,8 A se toda a sua resistência estivesse no circuito, mas ele estaria supercarregado se qualquer valor menor do que este fosse utilizado.

3.  Conexão para Voltímetro e Amperímetro. Voltímetro e Amperímetro de corrente contínua podem ser danificados pela introdução de uma corrente através deles numa direção errada. O ponteiro pode moverse para trás muito pouco, e a quantidade de corrente que está sendo enviada através da espira não pode ser detectada. Antes de conectar um instrumento de corrente contínua em um circuito, certifique-se que o terminal + da fonte de tensão está conectado ao terminal + do seu instrumento. Em alguns casos um voltímetro ou amperímetro de corrente contínua tem uma escala de zero central. Nesse caso, o ponteiro pode mover-se em qualquer direção (esquerda ou direita). Estes instrumentos não tem seus terminais marcados. As perdas por conexões são causas muito comuns em problemas com instrumentos elétricos. Eles freqüentemente introduzem resistências estranhas que,  portanto produzem experimentais entais muitos casos. Nunca enrole dois fios,   sempre use uma peçaerros de fioexperim contínua (eviteem emendas).

4. Defeitos resultantes de superaquecimento. superaquecimento. Somente a experiência e extremo cuidado permite que você evite defeitos resultantes de superaquecimento nos instrumentos. Até você adquirir experiência e conhecimento dos princípios elétricos nunca tome uma decisão sem antes consultar o seu instrutor. Os instrumentos que mais “sofrem” com isto são os amperímetros e

galvanômetro. Portanto, mantenha a corrente abaixo do maior suportado pelo aparelho, mantenha sempre conectado um reostato no circuito e em série com o amperímetro. Se um instrumento tem mais de uma escala (multímetro), sempre conecte-o na escala maior não excede ao máximo da escala menor. Se uma escala menor é usada primeiro, o medidor pode ser danifica danificado. do.  Nunca coloque uma bateria em curto circui circuito to para testar sua condiçã condiçãoo de uso. Tal procedimento aquece tremendamente a bateria e diminui sua vida. Se você tem dúvida sobre a capacidade de corrente de sua bateria, pessa ao seu instrutor para verificar.

5. Como determinar a polaridade de uma fonte de corrente desconhecida.   Você até pode ter alguma idéia da magnitude da diferença de potencial entre os terminais da fonte a ser usada antes de tentar fazer qualquer medida. Entretanto, você  pode não conh conhecer ecer a polaridade dos terminais da bancada. A polaridade pode ser determinada conectando-se numa escala segura um voltímetro aos terminais. Contudo ainda assim, existe a possibilidade de uma sobrecarga que poderá danificar o aparelho. Um método seguro é oa seguinte. Selecioneà um qual a scapacidade de corrente não mais seja ultrapassada ultrapassad quando conectada fontereostato entre osnotterminai erminais A e B (figura

 

2). Então o contato contato deslizante, C, é ccolocado olocado compl completamente etamente em uma das extremidades (B) e acoplado ao voltímetro V, como mostrado na figura 2. Quando C está na posição mostrada, a diferença de potencial entre C e B será praticamente nula, e nenhuma corrente fluirá através do voltíme voltímetro. tro. Agora C é deslocado vagarosamente de B para A, o ponteiro do voltímetro começará a mover-se nos dizendo qual é o terminal positivo da fonte. O fio do terminal positivo de medidor deve vir do fio da fonte se o medidor ler de modo correto enquanto C está se movendo.

6. Fontes de Tensão. Atualmente, muitos laboratórios são equipados com pequenas fontes de baixavoltagem que fornece a corrente necessária para o estudante usar. Estas unidades operam com retificadores para converter a corrente alterada em corrente contínua e, por meio de um transformador, diminui a voltagem ac para um intervalo conveniente e que será usado nos experimentos do laboratório. Estas unidades tem uma chave de controle que permite que a tensão de saída seja variada de, digamos 0 –  20V,  20V, e a corrente de 5  –   10 A.. Nestes equipamentos pode ser desnecessário o uso de reostato para alguns tipos de experimentos. Alguns destes instrumentos têm medidores que indicam a voltagem e a corrente, enquanto outros não. O objetivo principal destes medidores é indicar o valor aproximado da voltagem e/ou fornecida ao circuito inteiro.nas Elesmedidas também indicam intervalo decontudo valores que corrente provavelmente serão encontrados a seremo realizadas, medidores de maior precisão poderão ser usados em várias partes do circuito.

7. Cuidados com o LAZER É recomendável que sejam usados lasers de He-Ne com uma potência de 1,0 mW ou menos. Estudos tem mostrado que os o s lasers são seguros; entretanto, as seguintes  precauções e procedim procedimentos entos de seguran segurança ça são reco recomendados. mendados. * Antes de ligar o laser, verifique se a tensão da rede é adequada para o mesmo (110 v ou 220 v). Na dúvida chame o instrutor. * Trate o feixe do laser com respeito. * Nunca olhe diretamente para um feixe de laser. * Nunca coloque objetos altamente reflectivos (tais como aliança, aliança, relógios, re lógios, etc.) no caminho do feixe do laser. * Somente ligue o laser quando realmente for realizar as medidas. * Trate o laser como qualquer outro instrumento elétrico.

 

  EXPERIMENTO II   FENÔMENOS ELETROST ELETROSTÁTICOS ÁTICOS –  PARTE  PARTE A  

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO  Demonstração dos tipos de cargas em corpos atritados I  –  Objetivo   Objetivo: Verificar os tipos de cargas que surgem ao friccionar hastes de plástico através de uma lâmpada. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4. 

1 haste de Polipropilen Polipropilenoo (cinza). ( cinza). 1 haste Acrílica (transpa (tr ansparente). rente). 1 lâmpada. Folhas de Papel áspero, secas

III –  Introdução Teórica:  A Matéria apresenta duas propriedades fundamentais, a carga a e massa. A carga origina um campo de natureza elétrica, a massa o campo gravitacional. O campo elétrico é algo que se estabelece no espaço para caracterizar a própria existência da carga comatrativo que essas interajam.e A duas naturezas carga ocasiona forçasedefazer caráter e repulsivo, fazexistência com que de o campo produzidodepor duas cargas iguais e opostas 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, nunca nunca 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, isso 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, é 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, que mantém 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 (em nosso caso, de corrente ou polarizações definidas) com o gerador eletrostático Van der Graff.contínua Esses aparelhos geram uma gr andeouconcentração grande de cargas capaz do de tipo produzir

 

  campo de intensidade suficiente para analisarmos a nalisarmos os fenômenos elétricos que desejamos observar nesse experimento. IV –  Proc Procedimentos edimentos Experimentais: 1.  Segure fortemente a haste de  polipropileno por uma extremidade e atrite o outro extremo com o papel áspero e seco durante um certo tempo. t empo. 2.  Segurando a lâmpada por uma das extremidades metálicas, encoste a outra extremidade na haste que foi atritada (Figura 3). Observe os eletrodos da lâmpada. 3.  Realize o mesmo experimento com a haste acrílica. 4.  Observe quais cargas aparecem em cada haste.

Figura 3 –   –  Lâmpada  Lâmpada sendo encostada na haste atritada

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO  Demonstração dos tipos de cargas em filmes e placas p lacas I  –   Objetivo:Verificar com uma lâmpada, como se carregam uma placa de  policarbonato  policarbona to e uma folha ddee acetato ao atritá-las com um papel seco. seco. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4. 

1 placa de policarbonato. 1 folha de acetato (folha transparente). 1 lâmpada. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimen Experimentais: tais: 1.  Coloque a folha de acetato sobre a placa de  policarbonato e esfregue com um papel durante um certo 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 4). Observe

Figura 4  –  –  Lâmpada  Lâmpada sendo encostada na  placa de policarbonato policarbonato

os eletrodos da lâmpada. 7

 

  3.  Realize o mesmo experimento, agora encostando a lâmpada na placa de  policarbonato. Observe Observe os el eletrodos etrodos da lâm lâmpada pada novam novamente. ente. 4.  Observe quais cargas aparecem 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 separadamen separadamente. te.

EFEITOS DA FORÇA ELÉTRICA  Força entre corpos carregados  I  –   Objetivo: Verificar as forças que atuam entre hastes de polipropileno, hastes acrílicas e folhas de plástico quando atritadas com papel II –  Material  Material Utilizado:  1.  1 base do Eletroscópio (13027.01). 2.  1 placa de policarbonato. 3. 4.   5.  6.  7. 

11 haste folha de de Polipropileno acetato (folha (cinza). transparente). 1 haste Acrílica (transpa (t ransparente). rente). 1 grampo para as hastes redondas. redondas. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Fixe o grampo na haste de polipropileno  pelo ponto médi médioo e coloque o grampo na  base do eletroscópi eletroscópio, o, conforme a Figura 5. 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.  Segure fortemente outra haste de  polipropileno por uma extremidade e esfregue o outro extremo com o papel durante um certo tempo, a fim de eletrizála. Em seguida aproxime a haste eletrizad eletr izadaa de cada uma das extremidades da haste da  balança elétrica e létrica e observe o que acontece (Figura 6). 4.  Repita o passo anterior com a haste de

Figura 5  –  –  Balança  Balança eletrostática

–  aproximação Figura 6  –    aproximação das hastes

acrílica. 8

 

 

EFEITOS DA FORÇA ELÉTRICA  Força entre corpos carregados I  –   Objetivo: Verificar as forças que atuam entre hastes de polipropileno, hastes acrílicas e folhas de plástico quando atritadas com papel II –  Material Utilizado:  1.  2.  3.  4.  5.  6. 

1 base do Eletroscópio (13027.01). 1 placa de policarbonato. 1 folha de acetato (folha transparente). 1 haste de Polipropilen Polipropilenoo (cinza). ( cinza). 1 grampo para as hastes redondas. redondas. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Coloque a folha de acetato sobre a  placa de policarbonato e atrite come um papel durante um certo tempo em seguida separe a folha de acetato da placa de policarbonato observando o que acontece (Figura 7). 2.  Aproxime sem encostar primeiro a –  Folha Figura 7  –   Folha de acetato sendo separada folha de acetato das duas da placa de policarbonato extremidades da balança elétrica e em seguida aproxime a placa de  policarbonato (Figura 8). Observe o que acontece. 3.  Descarregue a folha de acetato e a  placa de policarbonato aterrandoas entre as mãos. Esfregue agora somente a folha de acetato e em seguida, sem encostar, aproxime a Figura 8  –  –  Folha  Folha de acetato sendo folha de acetato das duas aproximada da balança eletrostática. extremidades da balança elétrica e observe o que ocorre. 4.  Repita o procedimento anterior com a placa de policarbon po licarbonato. ato. 5.  Compare os resultados observados quando a folha e a placa são carregadas  juntamente e separadamen separadamente. te.

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EFEITOS DA FORÇA ELÉTRICA  Modelo de um eletroscópio I  –  Objetivo   Objetivo: Montar um modelo de eletroscópio e comprovar seu funcionamento com hastes de plástico carregadas eletricamente. II –  Material Utilizado:  1.  2.  3.  4.  5.  6.  7. 

1 haste de Polipropileno (cinza). 1 haste metálica. 1 haste de Acrílico (transparente). 1 tira condutora. 1 suporte de borracha com orifício para as hastes. Fita adesiva. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  de Coloque a haste metálica orifício do suporte, maneira que fique na no direção vertical e em seguida fixe a tira condutora por uma extremidade com um pedaço de fita adesiva na parte superior (Figura 9). 2.  Carregue a haste de polipropileno atritando-a atr itando-a com o papel, em seguida passe a haste de  polipropileno sobre a haste metálica, buscando 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. Figura 9  –  –  Haste   Haste metálica presa no 4.  Repita o experimento utilizando a haste acrílica. acrílica. 5.  Carregue novamente a haste de polipropileno e orifício com a tira pendurada. encoste novamente a haste metálica. Imediatamente depois, faça o mesmo com a haste acrílica também carregada. Observe o que acontece com a tira condutora.

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EFEITOS DA FORÇA ELÉTRICA  O funcionamento de um eletroscópio I  –   Objetivo: Verificar o que acontece com o eletroscópio ao tocá-lo com um objeto carregado e depois com a mão. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

Eletroscópio com agulha metálica. 1 haste de Polipropileno (cinza). 1 haste de Acrílico (transparente). 1 placa de policarbonato 1 folha de acetato Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Coloque a agulha no eletroscópio  passando-a  passan do-a pelo orifício central de tal forma que o extremo mais largo (mais  pesado) fiqueparada para nabaixo, paraconforme que a agulha fique vertical, a figura. (cuidado ao manusear a agulha  para que esta não não amass amasse) e) (Figura 10) 2.  Atrite a haste de polipropileno com o  papel seco e passe o extremo carregado  por cima do eletroscópio, eletroscópio, giran girando do a haste longitudinalmente (Figura 11). Repita este procedimento algumas vezes e observe a agulha do eletroscópio. 3.  Coloque a mão no eletroscópi eletro scópioo e oobserve bserve a agulha. 4.  Repita o procedimento anterior com a haste de acrílico e observ o bservee o que acontece. 5.  Esfregue novamente a haste de  polipropileno com o papel sseco eco e passe o extremo carregado por cima do eletroscópio algumas vezes. eletroscópio 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 um 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

–  Eletroscópio Figura 10  –    Eletroscópio com agulha

Figura 11 –   –  Haste  Haste sendo passada em cima do eletroscópio. eletroscópio.

   –  –  folha de acetato sendo Figura separada12da placa de policarbonato sobre o eletroscópio. eletroscópio. 11

 

  sobre o eletroscópio. Em seguida separe lentamente a folha de acetato da placa de policarbonato observando o que acontece (Figura 12). 9.  Repita o procedimento anterior colocando a placa de policarbonato sobre a folha de acetato no eletroscópio.

INDUÇÃO ELÉTRICA  Indução eletrostática com condutores e não-condutores não-condutores I –  Objetivo  Objetivo: Verificar o efeito e feito causado por hastes e folhas carregadas sobre pedaç pedaços os de  papel, folhas folhas de alumíni alumínioo e hastes de alumínio em ssuspensão. uspensão. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

1 base do eletroscópio (13027.01).  1 haste de Polipropileno (cinza). 1 haste de Acrílico (transparente). 1 par de pêndulos (13027.15). 1 folha de acetato. Folha de alumínio fina.

7.  Folhas de Papel áspero, secas. III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Corte o papel em vários  pedaços pequenos. pequenos. 2.  Corte a folha de alumínio em  pedaços pequen pequenos os 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 13). 4.  Repita o experimento com os  pedaços de papel papel alumíni alumínio. o. 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 base do eletroscópi eletroscópioo

Figura 13 –  Haste  Haste sendo passada em cima dos pedaços de papel.

Figura 14 –  Haste  Haste sendo aproximada de um dos tubos de alumínio

conforme a Figura 14. 12

Figura 15 –  Haste  Haste sendo aproximada da  parte inferior dos tubos de alumíni alumínioo

 

  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 14). 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 15. 12. Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel e em seguida aproxime o extremo carregado de da parte inferior dos pêndulos colocados no eletroscópio (Figura 15). Observe o que acontece. 13. Em seguida, encoste a haste nos tubo e observe o que acontece. 14. Descarregue os tubos de alumínio, aterrando-os.

INDUÇÃO ELÉTRICA  Efeito de uma força sobre um corpo com indução eletrostática I  –   Objetivo: Verificar o efeito da força entre uma haste de polipropileno carregada eletricamente e uma placa metálica descarregada segura por um isolante. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

1 base do Eletroscópio (13027.01). 2 hastes de Polipropileno (cinza). 1 grampo para as hastes redondas. redondas. Placa condutora c/ grampo para haste redonda. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Fixe o grampo na haste de  polipropileno pelo ponto médi médioo e coloque o grampo na base do eletroscópio, eletroscópi o, conforme a Figura 5. 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. elétrica. 3.  Fixe a placa condutora através dos grampos, na outra haste de  polipropileno conforme conforme a Figura 16. 4.  Aproxime a placa condutora do extremo descarregado da balança elétrica (Figura 17). 5.  Aproxime em seguida a placa do extremo carregado balança balan ça elétrica. 6.  Aproxime agora odaseu dedo de cada

Figura 16 –  Placa   Placa condutora fixa na haste de polipropileno.

Figura 17 –  Placa   Placa condutora sendo aproximada de uma das extremidades da balança elétrica 13

 

  um dos extremos da balança elétrica e observe o que acontece.

INDUÇÃO ELÉTRICA  Indução eletrostática em um eletroscópio I  –   Objetivo: Verificar a reação da agulha de um eletroscópio quando aproximamos corpos carregados eletricamente. eletricamente. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5. 

Eletroscópio com agulha metálica. 1 haste de Polipropileno (cinza). 1 haste de Acrílico (transparente). 1 folha de acetato Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.   passan Coloque agulha no central eletroscópio  passando-a do-aa pelo orifício de tal forma que o extremo mais largo (mais  pesado) fique para baixo, para que a agulha fique parada na vertical, conforme a figura. (cuidado ao manusear manusear Figura 18 –  Eletroscópio.  Eletroscópio. a agulha para que esta não amasse) (Figura 18). 2.  Carregue a haste de polipropileno atritando-a com o papel seco e aproxime o extremo carregado da região A da Figura 18, 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, eletroscópi o, sem tocá-lo. (Figura 19)  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 aproximadam ente uns 20 graus. 5.  Em seguida, toque a parte inferior do eletroscópio com a mão (Figura 18, ponto B) e observe o que acontece. Figura 19 –  Haste   Haste sendo 6.  Retire a mão da parte inferior do aproximada do eletroscópio. eletroscópio e observe o que acontece.

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ARMAZENAMENTO DE CARGAS   Um condutor como um capacitor I  –   Objetivo: Verificar com um eletroscópio que corpos condutores podem acumular cargas e que diferentes corpos podem acumular quantidades de cargas distintas. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6.  7.  8. 

Eletroscópio com agulha metálica. Copo de Faraday c/ orifício para haste redonda (13027.03). 1 haste de Polipropileno (cinza). 1 haste de Acrílico (transparente). Placa condutora c/ grampo para haste redonda. 1 Folha de acetato. 1 suporte de borracha com orifício para as hastes. Folhas de Papel áspero, secas.

III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Monte o eletroscópio experimento anterior. da mesma maneira do 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 20) 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 agulha ficar na posiç posição ão vertical. Figura 20 –  Copo de Faraday fixo no suporte de borracha. 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 alternadamente com a pplaca laca 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 agulha voltar à posiç posição ão vertical. 

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ARMAZENAMENTO DE CARGAS   Distribuição de cargas em um copo de Faraday I –  Objetivo  Objetivo: Verificar a distribuição de cargas em um copo de Faraday. II –  Material  Material Utilizado: 1.  Eletroscópio com agulha metálica. 2.  Copo de Faraday c/ orifício para haste redonda (13027.03). 3.  1 haste de Polipropileno (cinza). 4.  1 haste de Acrílico (transparente). 5.  Placa condutora c/ grampo para haste redonda. 6.  1 Folha de acetato. 7.  Tiras condutoras. 8.  1 suporte de borracha com orifício para as hastes. 9.  Fita adesiva. 10. Folhas de Papel áspero, secas. III –  Proce Procedimentos dimentos Experimentais: 1.  Coloque a agulha no eletroscópio, a placa condutora na haste de acrílico e fixe o copo de 21); Faraday no suporte de borracha utilizando a haste de polipropileno. (Figura   Figura 21 - Eletroscópio, Copo de Faraday e placa metálica.

2.  Carregue a placa metálica atritando-a na folha de acetato. e toque com ela a  parte externa do copo de Faraday Faraday.. Repita este procedim procedimento ento varias vezes para quer o copo fique carregado. 3.  Toque com sua mão a placa metálica e o eletroscópio para descarrega-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 eletroscópi eletroscópio. o. 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.

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ARMAZENAMENTO DE CARGAS   Quais os tipos de carga que podem ser acumuladas em um copo de Faraday. I –  Objetivo  Objetivo: comprovar com uma lâmpada de neon, se em um copo de Faraday podem ser acumuladas tanto cargas negativas negativas quanto posi positivas. tivas. II –  Material  Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

Eletroscópio com agulha metálica; Copo de Faraday c/ orifício para haste redonda (13027.03); 1 haste de Polipropileno (cinza); 1 haste de Acrílico (transparente); Uma lâmpada de neon; Folhas de papel áspero, secas.

III - Procedim Procedimentos entos Ex Experimentais: perimentais: I –  coloque  coloque a agulha no eletroscópio e o copo de Faraday no orifício superior do eletroscópio, ver figura, tomando o cuidado para que o fundo do copo entre em contato com o eletroscópi eletroscópio. o. Figura 22 - eletroscópio com copo de Faraday

II  –   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  procedimen to usando a ha haste ste de acrílico.

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TRANSPORTE DE CARGA. Um pêndulo transporta carga? EXPERIMENTO II FENÔMENOS ELETROST ELETROSTÁTICOS ÁTICOS –  PARTE  PARTE B I - Objetivo: demostrar que um pêndulo pode transportar carga. II - Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

Eletroscópio com agulha metálica; Copo de Faraday c/ orifício para haste redonda (13027.03); 1 haste de Polipropileno (cinza); 1 placa metálica; 1 par de pêndulos; Folhas de papel áspero, secas.

III –  procedimentos  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 copo e a outra ppor or fora, assim com comoo indicado na figura. Figura 23 - copo de Faraday montado sobre o eletroscópio com agulha.

2  –   atrite a haste haste de polip polipropileno ropileno com papel e carregue o copo de Faraday. Faraday. Continue carregando até que a agulha do eletroscopio sofra deflexão máxima. Pegue a  placa metálica por uma das garras e aproxime-a muito lentamente lentamente do pendulo pendulo exterior. A placa deve estar o mais paralelo possível ao pendulo, ver fig. 24.

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  Figura 24 - placa metálica próxima ao pendulo exterior do copo de Faraday.

3 - Descreva o movimento do pendulo e o deslocamento simultâneo da agulha. CONDUTORES E NÃO CONDUTORES Distinguir entre materiais que são condutores de não condutores I - Objetivo: Estudar com um eletroscópio se corpos distintos são condutores. II - Material Utilizado: 1.  Eletroscópio com agulha metálica; 2.  Copo de Faraday c/ orifício para haste redonda (13027.03); 3.  1 haste de Polipropileno (cinza); 4.  1 haste de acrílico; 5.  1 Haste metálica; 6.  1 Placa metálica; 7.  1 lâmpada de neon; 8.  1 folha de acetato; 9.  Tiras condutoras; 10. 1 Rolha de borracha; 11. 1 folha de acetato 12. Folhas de papel áspero, secas.

III –  procedime procedimentos ntos eexperimentais xperimentais..   1 –  carregue  carregue o eletroscópio com a haste de polipropileno devidam devidamente ente carregada. Pegue sucessivamente com a mão os objetos listados na tabela abaixo e toque com eles a superfície superior do eletroscópio (ver figura 25). Marque com um x na tabela o que ocorrer com a agulha em cada caso. Obs.: antes de cada prova, o eletroscópioo deve ser carregado. eletroscópi

19

 

  Figura 25 - materiais para distinção entre condutores e não condutores

Objeto.

 Não retrocede

Agulha Retrocede  parcialmente  parcialmen te

Retrocede totalmente.

Haste metálica Haste de acrílico Rolha de borracha Copo de Faraday segurado com a m mão ão Copo de Faraday na haste de acrílico Placa metálica segurada pela mão Placa metálica na haste de acrílico Tiras condutoras Lâmpada de neon

DESCARGA DE COPOS Descarga usando chama

I - Objetivo: demostrar que um pendulo pode transportar t ransportar carga. II - Material Utilizado: 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

Eletroscópio com agulha metálica; 1 haste de Polipropileno (cinza); Haste de carilico; 1 placa metálica; Folha de acetato Fósforo;

7.  Folhas de papel áspero, secas. 20

 

 

III –  procedimentos  procedimentos experimentais. 1 –   monte monte o eletroscópio de agulha e prenda a placa metálica a uma haste de  polipropileno;  polipropilen o; 2 –   Carregue Carregue a placa metálica atritando-a na folha de acetato e aproxime-a do eletroscópio (ver figura 26). Sustente a placa metálica durante uns dois segundos a 10 cm de uma chama e volte a aproximá-la do eletroscópio; eletroscópio; Figura 26 - eletroscópio e placa metálica.

3 –  repita  repita o procedimento, mas no lugar da placa metálica, utilize uma haste de acrílico atritada com papel. 4 –  Carregue  Carregue o eletroscópio com a placa metálica e depois aproxime a chama por cima do eletroscópio ( ver figura 27) Descreva o que acontece. Figura 27 - Aquecimento do eletroscópio por uma chama.

21

 

 

DESCARGAS ELÉTRICAS I - Objetivo: Observar as diferentes naturezas de interação entre cargas a as causas e efeitos das descargas elétricas. II - Material Utilizado: * Gerador Eletrostático (fonte de alta a lta tensão) * Esferas condutoras com suporte isolante * Placas condutoras com suporte isolante * Fios para ligações * Caneco condutor e tela metálica * Fio condutor pontiagudo (alfinete) * Vela * Linha, canudo plástico e fiapo de algodão.

Imagen 1 - Kit experimental para o estudo de descargas elétricas. III - Proce P rocedimentos dimentos Experimentais Com Questionamentos 1. Eletrize um canudo de plástico e ponha-o em contato com a parede. Justifique o que ocorre. 2. Ligue um pólo da fonte a uma esfera condutora isolada e efetue o mapeamento do campo elétrico criado nas proximidades da esfera (monopólo 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 pólos diferentes da fonte (dipolo elétrico).  3. Tome agora um caneco metálico isolado, ligado ligado apenas a um pó pólo lo 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. Provoque a descarga depois com uma das esferas contendo uma ponta metálica e ainda em seguida entre duas pontas (Figura 11). Justifique: porque ocorre descarga no ar 22

 

  isolante, o porquê da luminosidade na região, o grau de facilidade de descarga ocorrido entre as três situações praticadas. Relacione os fenômenos observados às situações de descarga elétrica verificadas no cotidiano.  

Figura 11 –  O  O poder das pontas.  5. 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 12). Procure justificar os fenômenos observados. Observe em seguida a descarga  provocada pela pela fonte numa lâm lâmpada pada de gás. On Onde de foi mais fácil se se produzir a des descarga: carga: na lâmpada ou na atmosfera? Justifique  

Figura 12 - O Vento Elétrico. 

23

 

   

II   EXPERIMENTO II

CAMPO A PARTIR DO POTENCIAL POTENCIAL ELÉTRICO I  –   Objetivo: Observar o comportamento do campo eletrostático a partir da determinação determinaç ão experimental de linhas eqüipotenciais eqüipotenciais em meios condutores líquidos. II –  Material Utilizado: - Cuba eletrolítica (pirex) - Multímetro - Fios para ligações - Fonte de tensão (0  –  12V  12V –  DC)  DC) - Papel milimetrado - Solução de Sulfato de Cobre (CuSO 4) III –  Introdução Teórica   No experimen experimento to anterior apresen apresentamos tamos uma concei conceituação tuação do campo elétrico e observamos experimentalmente seu comportamento e efeitos em meios dielétricos. Sabemos que uma determinada distribuição de carga (Q), gera no espaço vizinho em sua volta, um campo vetorial de natureza elétrica. A intensidade, direção e sentido desse campo é definida teoricamente, a partir de uma pequena carga de prova positiva (q o) que ao ser ser sub submeti metida da a eesse sse ccampo, ampo, sof sofre re uma força força ddee naturez naturezaa elétric elétricaa ( ), tal que (Equação 1): (1) Anteriormente, ttivem Anteriormente, ivemos os a idéia do comportamen comportamento to elétrico pela interação sofrida por um um monopolo ou mesmo mesmo um u m dipolo elétrico imerso ness nessee campo. O potencial (V) é uma grandeza física escalar, diretamente associada ao campo elétrico e definido a partir da variação da energia potencial elétrica sofrida por uma carga que se desloca numa região onde existe esse campo. Resulta daí que o campo elétrico é expressoo pelo gradiente do potencial: express potencial: (2) ou (3) Isso significa que sempre que houver variação do potencial em determinada direção do espaço, existirá um componente do campo elétrico nessa direção e a não variação, implicará na componente nula. Dessa forma, se usarmos um instrumento de medida elétrica, para detecção das variações espaciais do potencial elétrico no meio, estaremos obtendo as características do campo existente. Na prática, porém visando configurar as linhas de campo, torna-se mais fácil experimentalmente obter linhas ou superfícies de mesmo potencial (as equipotenciais). Assim, se em volta de uma distribuição de carga conseguimos mapear superfícies ou linhas equipotenciais, poderemos estabelecer após 24

 

  isto a configuração do campo elétrico (as linhas de força que apresentam a propriedade de serem sempre perpendiculares nos pontos em que passam pelas equipotenciais). Podemos dizer que neste experimento procederemos de forma contrária ao anterior, no sentido que usaremos uma fonte de baixa tensão para alimentar os eletrodos e um meio condutor. Isso porque o campo eletrostático que aí se estabelece, oriundo de uma  pequena distribuição de carga nos eletrodos, tem no meio condutor uma ótima  propagaçãoo ou transmissão, se comparando com o seu desempenho em um meio  propagaçã isolante. IV –  Procedimento   Procedimento Experimental  1)  - Monte o experimento conforme mostra a figura 1, onde A e B representam as  pontas fixa e móvel respectivamen respectivamente, te, imersas imersas em solução eletrolítica (CuSO 4)  contida na cuba. Também na cuba, C e D, representam os eletrodos que estarão ligados à fonte. O Multímetro (M) se encontra ligado entre as pontas. Use uma folha de papel milimetrado por baixo da cuba para poder identificar os pontos característicos do espaço que serão mapeados.

Fonte M A

D

C B Cuba de Pirex Figura 8- Esquema de montagem para o experimento

2)  - Efetue inicialmente o movimento da ponteira móvel para observar o comportamento da corrente em função da d.d.p. estabelecida entre as ponteiras. 3)  - Obtenha pelo menos oito pontos (bem distribuídos) de mesmo potencial com a finalidade de mapear uma linha equipotencial. Efetue no total o mapeamento de  pelo menos 6 (seis) linhas equipotenciais diferentes, sendo sendo que 3(três) tendendo  para um eletrodo e as outras 3 (três) para o outro, distribuídas de forma a facilitar a visualização das linhas do campo. campo. 4)  - Trace algumas linhas de campo em função das equipotenciais obtidas. Comente o resultado. 5)  - Coloque um anel na cuba entre os eletrodos e observe o comportamento do  potencial na região de fora, próxima pró xima e em seu interior. Qual comportamento se  pode atribuir ao campo? campo? 6)  Repita o experimento usando placas metálicas como eletrodos (Figura 2). 25

 

 

Placas metálicas

Figura 2 –  Experimento   Experimento com placas metálicas como eletrodos

V –  Questionário  Questionário 1) a) Por que aparecem correntes nos dois sentidos quando se desloca o ponteiro móvel de um eletrodo para outro?  b) Se convencionarmos o eletrodo negativo como o de potencial nulo e colocarmos aí a  ponteira fixa, o que observam observamos os nas variações de potencial com o deslocamento deslocamento da  ponteira móvel? móvel? 2) Existe alguma contradição em estarmos efetuando eletrostática em uma região onde estarão ocorrendo correntes iônicas (na solução eletrolítica)? e letrolítica)? 3) O anel colocado no item 5 do procedimento experimental constitui-se numa perfeita  blindagem eletrostática? eletrostática? Justifiq Justifique ue sua resposta. 4) Por que dizemos na prática que os dois polos de uma bateria ou de uma pilha expostos ou “ligados” apenas ao ar atmosférico se encontram isolados (isto é, estas

fontes não estão sendo usadas)?

26

 

 

EXPERIMENTO III III   MEDIDAS ELÉTRICAS  

I - Objetivo: Observar dependência da resistência elétrica nos resistores em função da corrente e da tensão a que estejam submetidas. Saber manusear os instrumentos de medidas elétricas (Amperímetro, Voltímetro e o Ohmímetro) na medida e análise de comportamento comportamen to ôhmico e não ôhmico dos resistores. II –  Material Utilizado: - Fonte de alimentaçã alimentaçãoo variável - Instrumentos de medidas (Amperímetro, Voltímetro e Ohmímetro) - Resistores diferentes - Bancada e fios para ligações

Figura 1 - Kit experimental. III –  Introdução Teórica   Nos circuitos elétricos existe uma relação bem definida entre a tensão de alimentação (d.d.p.), a corrente elétrica de entrada e a resistência elétrica de entrada do circuito, que é dada por: . Desprezando o efeito da temperatura sobre a resistência (quando a mesma não sofre grandes variações de corrente), podemos caracterizar dois tipos de Resistores Ôhmicos, isto é, quando a razão V/I = constante e consequentemente consequentemente sua resistência não varia com as variações da voltagem e da corrente; e os resistores não Ôhmicos, quando a tensão e a corrente não mantém uma dependência linear, isto é, R é variável.



27

 

  Os instrumentos de medidas usados nesta análise são dispostos segundo o diagrama da figura (1), onde o amperímetro que mede a corrente é ligado em série no circuito, e o Voltímetro que mede tensão (d.d.p.), é ligado em paralelo. Quando necessitamos usar o Ohmímetro que mede a resistência elétrica, isolamos o resistor do circuito e ligamos seus extremos aos terminais do instrumento que apresenta um circuito próprio para esta medida. Normalmente antes da medida procede-se o ajuste do zero da escala do Ohmímetro, ligando-se os terminais entre si e movendo o botão de ajuste. (quando set tratar de multíme multímetro tro analógico) IV –  Procedimento Experimental  1)  Monte o circuito descrito na figura (1) usando inicialmente o resistor (1). Ao ligar o Amperímetro (A) e o Voltímetro (V) tenha o cuidado em verificar se as  polaridades positivas e negativas estão ligadas corretamente corretamente a fim de não danificar os equip equipamentos. amentos.

Figura 1- Esquema de ligação dos instrumentos de medidas ao resistor a ser analisado.

Imagem 9- ilustração de um possível montagem.

2)  Com o botão da fonte na posição de mínima tensão, ligue a mesma, efetuando  pelo menos oito medidas medidas de ten tensão são e corrente que atuam no resistor. resistor. 3)  Em papel milimetrado construa o gráfico da tensão versus corrente, caracterizando caracterizan do aí o tipo de rresistên esistência cia usado no circuito. 4)  Repita o mesmo procedimento para o resistor (2), analisando após a construção do gráfico o tipo de resistên r esistência cia elétrica no circuito.

28

 

  5)  Use o Ohmímetro de precisão para determinar a resistência elétrica no Resistor onde se consegue obter o comportamento ôhmico. Compare este resultado com o obtido graficamente.

V - Questionário 1)  Quais características devem apresentar um bom Amperímetro e um bom voltímetro para que interfiram o mínim mínimoo po possível ssível com as medidas efetuadas. 2)  Use o Ohmímetro para efetuar as medidas das resistências internas do Amperímetro e do Voltímetro, tendo o cuidado de ligar as polaridades corretas. Analise estas medidas com base nas características descritas no item anterior. 3)  Porque no procedimento (5) não mandamos efetuar a leitura do resistor que não apresentou o comportamento Ohmico? Se tivéssemos medido a resistência, o que estaríamos obtendo?

29

 

 

IV  EXPERIMENTO IV  CIRCUITOS ELÉTRICOS RESISTIVOS  

I –  Objetivo: Observar o comportamento de circuitos resistivos em série, paralelo e misto com respeito á diversas características na tensão, corrente e potência elétrica, no relacionamento entre os componentes e no curto circui c ircuito. to. II –  Material : variáv - Fonte de Utilizado alimentação variável el - Fios para ligações - Instrumentos de medidas (Amperímetro, Voltímetro e Ohmímetro) Ohmímetro) - Lâmpadas de 6 V  –  0,22  0,22 A - Placa para o circuito com bocais e conexões

Figura 5 - Kit experimental. III –  Procedimento experimental  1)   –   Monte o circuito conforme o esquema descrito na figura (1) com lâmpadas e com o mesmo funcionamento. Observe:

Figura 1 - Esquema de ligação das lâmpadas para um circuito em série.

30

 

  Observe: a)  Quando se apaga uma lâmpada (desliga-se) o que ocorre com as demais. Curto-circuite uma lâmpada e observe observe o que ocorre no circuito. circuito.

 b)  Efetue as medidas da tensão e corrente usadas na entrada e em cada um dos componentes. componen tes. Descreva em função dos resultados, o comportamento comportamento de cada uma dessas grandezas, nesse circuito. Tabela 1 - Medidas da tensã t ensãoo e corrente nos componen componentes tes do circuito circuito resistivo resistivo em série. c)  Determine a potência elétrica usada para manter o circuito em funcionamento e procure visualizar a luminosidade das lâmpadas nesta situação. Observe também no botão de variação de tensão da fonte, o curso (giro do botão) que necessi necessitou tou usar para manter esta alimentação. 2)  Monte o circuito abaixo (figura 2) com as mesmas lâmpadas usadas anteriormente, e com o mesmo funcionamento, observe e proceda, segundo descrito nos itens (a), (b) e (c) do circui circuito to anterior.

Figura 2 - Esquema de ligação das lâmpadas para um circuito em série.

3)  Monte o circuito abaixo (figura 3) usando os mesmos componentes e use os  procedimentos anteriores anteriores para observar observar o com comportamento portamento deste circuito.

Figura 3 - Esquema de ligação das lâmpadas para um circuito misto.

31

 

  IV –  Questionário   Questionário 1)  Como se classifica os circuitos (1), (2) e (3) estudados? Qual oferece maior resistência elétrica equivalente? Isso foi observado na prática em função das medidas efetuadas de tensão e corrente? 2)  Qual dos circuitos exigiu uma maior disponibilidade de potência da fonte? O  botão de ajuste da fonte regula apenas a tensão ou também controla o fornecimento fornecimen to de potência? 3)  Como são as instalações elétricas residentes? 4)  Qual a utilidade de um circuito em série comum resistivo? 5)  Um gerador de f.e.m. com a seguinte especificação: 12V  –   24W, consegue manter essa tensão em qualquer que seja o circuito que seja submetido?

32

 

 

EXPERIMENTO V  V 

 

CIRCUITO RC EM SÉRIE I –  Objetivo  Objetivo: Obter as curvas de carga e descarga de um Capacitor. II –  Material Utilizado: - Capacitor de 2200 F - Resistor de 4,7 k  - Chave conectora - Fontes de alimentação (0-12V) - Multímetro - Cronômetro - Cabos para conexões III –  Fundamentação teórica  Um Capacitor de capacitância capacitância C encontra-se em série com um Resistor R em um circuito RC (figura 1). Colocamos uma bateria ideal de f.e.m.  no circuito e uma chave conectora. Aplicando a lei das malhas ao circuito, temos: q

  iR 





C 

0,  

onde q/C é a diferença de potencial entre as placas do Capacitor, com a placa superior estando no potencial mais alto. Rearmando a equação acima, fica iR 

q C 



  . (1)

Temos duas variáveis na equação acima que estão relacionadas por i

dq   

dt 

 

e substituindo esta relação na equação (1) encontramos:  R

dq dt 



q C 



  . (2)

Esta é a equação diferencial que descreve a variação com o tempo da carga q do Capacitor. R a S  b

 

C

Figura 1. Circuito RC em série. O capacitor é carregado quando a chave S é fechada em a. Quando a chave S é fechada em b, o capacitor é descarregado.

33

 

  Vamos determinar a função q(t) que satisfaça a condição inicial q = 0 em t = 0. A solução encontrada é: t  

q

   (1   e C 



RC 



) 

capacitor capaci tor carregando carregando (3)

Tomando a derivada da equação (3) temos t    e  RC  i  dq          dt    R 

(4)

Substituindo (3) e (4) na equação (2), a equação diferencial se reduz a uma identidade. Fica então provado que a equação (3) é uma solução da equação (2). Vamos reescrever a equação (3) em termos de V que é a grandeza medida proporcional a q t       V C        1  e  RC       C     

 

q

(5).

O produto RC que aparece nas equações (3)-(5) tem dimensão de tempo. Este  produto é chamado de constante de tempo t empo capacitiva capacitiva do circuito e é representada por . Ele é igual ao tempo necessário para que a carga do capacitor atinja uma fração 1   e    ou aproximadamente 63% de seu valor final de equilíbrio. Substituindo t = Rc na equação (3), encon encontramos: tramos: 1

q







C   1    e 1  





0. 63C   .

(6)

Suponha, agora, que o capacitor esteja completamente carregado e a chave S seja movida para o ponto b de modo que o capacitor inicie sua descarga. A equação (2) continua válida, porém a fonte de f.e.m. não participa mais do circuito. Encontramos então:  R

dq



dt 

q



0 

equação de descarga (7)

C 

A solução desta equação diferencial é: t  

q



q0 e

 RC 

 

descarga do capacitor (8)

Onde q C     é a carga inicial do capacitor. A constante de tempo capacitiva RC governa o processo de descarga bem como o processo de carga. No instante t = RC a  e     , equivalente a 37% de sua carga inicial. carga do capacitor é reduzida a C   

0



1

34

 

  IV –  Proc Procedimento edimento Experimental 1- Monte o circuito segundo a figura 2 abaixo. a

S

R

 b

 

i

C

Figura 2. Circuito RC em série (C = 2200 - F, R = 4,7 k ). O capacitor é carregado quando a chave S é fechada em a. Quando a chave S é fechada em b, o capacitor é descarregado.

2- Com o capacitor completamente descarregado, ligue a chave e simultaneamente cronometre o tempo de carga do capacitor e anote as variações de voltagem correspondentes. Monte uma tabela com pelo menos 10 valores dos pares voltagemtempo. 3o gráfico de V versus t, descrevendo seu comportamento e comparando comConstrua o comportam comportamento ento previsto tteoricam eoricamente. ente. 4- Repita o mesm mesmoo pro procedimen cedimento to para o processo de descarga. 5- Interpole nos dois gráficos o instante onde t = RC para obter os correspondentes valores de V nos processos de carga e descarga. Compare os resultados com o previsto teoricamente. Observe antes se em algum dos dois processos, tem que ser levado em conta a resistência interna interna do voltím voltímetro. etro. Use se necessário, o valor da mesma.

V –  Questionário  Questionário 1)  Obtenha as relações dadas para o comportamento de carga e descarga do capacitor. 2)  Qual o tempo total de carga e descarga previstos nos dois circuitos? Compare os resultados experimentais para estes tempos com o  previsto teoricamente. teoricamente.

35

 

   

Estudo de Magnetismo VI  VI 

Parte I: Materiais que são atraídos por ímãs Objetivo: Estudar se objetos de materiais distintos são atraídos por um ímã e comprovar se os extremos de cores diferentes de um ímã atuam da mesma forma sobre os objetos estudados. Materiais Utilizados:   Ímã reto;   Condutores e não condutores (conjunto de hastes com 50 mm de comprimento);   Placa de policarbonato.

Figura 1 - Kit Experimental utilizado no estudo do Magnetismo.

36

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Escolha três objetos do seu material escolar que você queira comprovar se são ou não atraídos por um ímã. Anote esses objetos nas ttrês rês últimas linhas da tabela 1. Tabela 1 - Resultado da comprovação comprovação de materiais distintos na presença presença de um ímã objeto O objeto sofre atração do Extremo vermelho Extremo Extrem o verde Placa de Policarbonato Hastes de Plástico Haste de Vidro Haste de Grafite (carbono) Haste de Ferro Haste de Alumínio

2-  Tocar sucessivamente os objetos listados na tabela 1 com o extremo vermelho do ímã e observar se os objetos são atraídos ou não pelo extremo vermelho do ímã (Figura I.1). Anotar SIM  ou NÃO nas linhas da tabela 1 referentes a cada material. Repetir o procedimento para o extremo verde do ímã.

Figura I.1 –  Comprovação  Comprovação de diversos materiais na presença de um ímã

3- De que materi material al é confecci confeccionado onado os obje objetos tos que foram atraídos pel peloo ímã?

Parte II –  Os  Os extremos de um ímã reto são marcados de formas diferentes Objetivo: Determinar em que pontos de um ímã os objetos de ferro são atraídos com maior força. Materiais Utilizados:   Condutores e não condutores (conjunto de hastes com 50 mm de comprimento);   Ímã reto (não colorido);   Arame de ferro;   Bússola;   Fio fino de algodão

37

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Comprovar se a haste de ferro é atraída com a mesma força em todos os seus  pontos pelo ímã. ímã. Anote o que ffoi oi observado. 2-  Prender um pedaço do arame de ferro no ímã com o seu polegar conforme a figura II.1 abaixo. Tentar atrair com este arame, nesta posição do ímã, o maior número possível de outros pedaços de arame que conseguir. Repetir o  procedimento em outros distintos (figuradistintas. II.2). Anotar quantos pedaços de arame são atraídos em pontos cada uma das posições

A Figura II.1 –  Arame de ferro preso no centro do ímã.

B

C

D

E

Figura II.2 –  Outros  Outros pontos do ímã que devem ser explorados

3-  Amarrar o ímã ao meio por um fio fino de algodão. Levante o sistema e espere que ele pare de girar. Após a oscilação o ímã irá parar numa determinada  posição. Saben Sabendo do a posição do Norte geográfi geográfico, co, observe qual extremidade do ímã estáMarque apontando direção. isso,doum dosSepolos será o polo  Norte. com nessa um lápis esse Com extremo ímã. esse do é oímã polo Norte do ímã, então o outro é o polo Sul. Aproxime o Norte do ímã ao Norte da bússola. Observe o que acontece e anote. 4-  Aproximar alternadamente o extremo marcado e o não marcado do ímã à  bússola. Observe Observe sua agulh agulha. a. 5-  Determinar com a bússola o polo Norte do outro ímã. Marcá-lo com um lápis como na etapa 3. 6-  Sobre os corpos de ferro não magnéticos, os dois polos do ímã atuam da mesma forma, atraindo-os. Estudar com os ímãs quais os efeitos sofridos ao aproximarmos polos norte-norte, norte-sul, sul-sul desses ímãs (figura II.5). Apague a marcação dos ímãs.

Parte III –  Estudo da Força Magnética. Objetivo: Estudar se os objetos são atraídos por um ímã mesmo quando não estão em contato. Materiais Utilizados:   Condutores e não condutores (conjunto de hastes com 50 mm de comprimento);   Placa de policarbonato;   Ímã   Moeda;   Clipe   Folha de papel ou cartão

38

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Colocar a moeda sobre a mesa. Aproximar um ímã, lentamente, por cima da moeda (figura III.1). Observar o que ocorre com a moeda. Repetir o experimento experimento com o clipe e a haste de ferro. 2-  Observar que as forças magnéticas também atuam a distâncias de vários centímetros. Utilizar para isto o ímã e a bússola (figura III.2). 3-  atraído. ObservarColocar se a intensidade força magnética depende do objeto de ferro a moeda da sobre a placa de policarbonato e colocar o ímãque poré  baixo da placa (figura III.3). Observar se o ímã se move ao des deslocarmos locarmos a placa com a moeda por sobre o ímã. Repetir o experimento com a haste de ferro sobre a placa. 4-  Estudar se a força magnética atravessa materiais não magnéticos. Colocar sobre a mesa os objetos da parte I e por cima deles (2 mm) a placa de policarbonato. Aproximar por cima um dos polos do ímã. Troque a placa por uma folha de  papel ou um cartão e repita o ex experimento. perimento.

Parte IV –  Fabricação  Fabricação de um ímã. Objetivo: Fabricar ímãs com arame e limalha de ferro. Desmagnetizar objetos. Material Utilizado:   Ímã reto;   Arame de ferro;   Salpicadeira com limalhas de ferro;   Bússola. Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  O arame não é um ímã. Não atrai outro pedaço de arame. Passe uma vez o polo  Norte do ímã de cima para baixo sobre o arame (figura IV.1). Comprova Comprovarr se agora o arame atrai outros pedaços de arame (figura IV.2).

Figura IV.1 –  Polo norte do ímã sendo passado de cima para baixo no arame

Figura IV.2  –  Arame  Arame magnetizado

39

 

  2-  Averiguar com a bússola que polos são formados nos extremos do arame de ferro (figura IV.3)

Figura IV.3 –  Arame  Arame magnetizado na presença de uma bússola

3-  Magnetizar o arame como no passo 1, passando um polo do ímã de cima para  baixo. Pegue um pedaço de arame com o extremo inferior do arame que foi magnetizado. Aproxime muito lentamente o mesmo polo do ímã a uns 10 mm do centro do arame magnetizado (figura IV.4). Observe o que acontece com o  pequenoo pedaço de arame que tinha sido atraído pelo arame magnetizado.  pequen Comprovar, finalmente, se agora o arame atrai outros pequenos pedaços de arame.

Figura IV.4 –  Após  Após magnetização, o mesmo polo do ímã é aproximado do meio do arame

4- Para desmagnetizar é necessário por outra vez em desordem os ímãs

elementares. Primeiro magnetize o arame como foi descrito anteriormente. Depois mova várias vezes um polo do ímã paralelo ao arame, no início bem  próximo e depois vá afastando cada vez mais (figura IV.5). Comprova Comprovarr se o arame continua magnetizado .

Figura IV.5  – Desmagnetização

5-  Golpear várias vezes, com o polo norte do ímã, a tampa da salpicadora com limalhas de ferro na posição horizontal (usar a tampa sem orifícios). Deixar o ímã longe da bússola e aproximar a salpicadora lateralmente à bússola (figura IV.6)   e depois mova-a muito suavemente. Observe a bússola. Repita o IV.6) 40

 

   procedimento com o polo sul do ímã. Agite a salpicadora e aproxime-a da  bússola. Observe Observe o que oc ocorre. orre.

Figura IV.6 –  Golpear  Golpear a salpicadeira com o ímã

Parte V –  Existem  Existem ímãs com um só polo? Objetivo: Estudar se partindo um ímã se obtém dois ímãs, cada um com um só polo. Material Utilizado:   Ímã reto   Arame de ferro   Bússola Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Passar várias vezes um polo do ímã, no mesmo mesmo sentido, pelo arame. Comprovar, Comprovar,  partindo um pequeno pe queno pedaço do aram arame, e, seaé bússola formado que polospolos ma magnéticos gnéticos no aramee e onde são formados. Determinar com são formados marcá-los. 2-  Dobrar o arame pela metade, sem parti-lo, parti- lo, em um ângulo de uns 40 o. Comprovar com a bússola e com o pedaço de arame, se na dobra formou-se um polo magnético. 3-  Romper o arame no vértice (dobra) e comprovar se existe polos magnéticos em todos os extremos dos seus pedaços. No caso de existir, determine sua  polaridade. 4-  Romper um pedaço do arame e comprovar com a bússola se cada um dos  pequenos  pequen os pedaços tamb também ém é um ímã.

Parte VI –  São  São mais fortes dois ímãs juntos do que um só? Objetivo: Estudar como varia o efeito magnético de um ímã sobre um corpo, quando ao  primeiro ímã se adiciona adiciona outro ímã. Material Utilizado:   Haste de ferro;   Condutores e não condutores;   Ímã;   Bússola;   Régua.

41

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Colocar a haste de ferro sobre a mesa a uma distância de aproximadamente 5 ccm m do polo de um u m ímã. Coloque a haste perpendicular ao ímã. Lentamente aproxime o ímã da haste. Marque a posição do ímã no momento em que a haste inicia um movimento de rolar. Meça a distância entre a posição da haste e a borda do ímã (figura VI.1).

Figura VI.1 –  Haste  Haste de ferro colocada perpendicular a um ímã.

2-  Colocar dois ímãs juntos, de forma que estejam unidos por polos distintos (figura VI.2). Repita o procedimento 1. Meça novamente a distância entre a haste e a borda do novo ímã, quando a haste começa a rolar.  N

S

Figura VI.2 –  Haste  Haste de ferro colocada perpendicular a dois ímãs.

3-  Colocar dois ímãs juntos, de forma que estejam unidos pelos mesmos polos (figura VI.2). Repita o procedimento 1. Meça novamente a distância entre a haste e a borda do novo ímã, quando a haste começa a rolar. 4-  Coloque os resul r esultados tados numa ttabela. abela.

Parte VII –  A  A forma do Campo Magnético. Objetivo: Tornar visível a forma do campo magnético de um ímã reto usando limalhas de ferro. Material Utilizado:   Placa de policarbonato;   Ímã reto;   Salpicadeira com limalha de ferro;   Folha de papel áspero.

42

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Colocar o ímã horizontalmente sobre a mesa e por cima dele a placa de  policarbonato e uma uma folha de pap papel. el. 2-  Dando ligeiros golpes na salpicadeira, polvilhe uniformemente a limalha de ferro sobre o papel até que se perceba uma certa ordem nas linhas formadas  pelas limalhas. limalhas. 3-  Desenhe ou fotografe a forma resultante das linhas de campo magnético obtidas.

Parte VIII –  Direção  Direção das linhas de Campo. Objetivo:  Desenhar linhas de campo usando uma bússola e um ímã reto. Investigar a configuração espacial de campo magnético usando um sensor de campo magnético. Material Utilizado:   Ímã reto;   Bússola;   Sensor de campo magnético. Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Ponha a bússola junto a uma quina do ímã reto. Marque num papel as posições da parte calara e da parte escura da agulha da bússola (figura VIII.1).

Figura VIII.1 –  Marcação  Marcação da direção da agulha da bússola próxima a um ímã reto.

2-  Desloque o ímã de forma que o extremo mais claro da agulha magnética aponte sempre para a marca, feita no papel, da antiga posição da parte escura da  bússola. Marque novamente novamente a posição da parte clara e da parte escura da agulha. agulha. Repita esse processo até que chegue ao outro polo do ímã. 3-  Repita o procedimento 2 iniciando de outras posições (figura VIII.2). Obtenha os pontos e trace as curvas.

Figura VIII.2 –  Marcação  Marcação da direção da agulha da bússola próxima a um ímã reto.

43

 

  4-  Segure o ímã pelo meio e com a ajuda do sensor de campo magnético, investigue as linhas de campo magnético, movendo o sensor em torno do ímã (figura VIII.3).

Figura VIII.3 –  Mapeamento  Mapeamento de um ímã com sensor de Campo Magnético

Parte IX –  Campo  Campo Magnético entre dois polos de mesmo sinal. Objetivo: Estudar com limalhas de ferro e com o sensor de campo magnético a forma de um campo entre dois polos de mesmo sinal. Material Utilizado:   Ímã reto;   Placa de policarbonato;   Salpicadeira com limalha de ferro;   Sensor de campo magnético;   Folha de papel. Procedimento Procedimen to Experim Experimental: ental: 1-  Colocar dois ímãs sobre uma mesa a uma distância de 50 mm um do outro, de forma que os dois polos de mesmo sinal se repilam (figura IX.1);  N

 N

Figura IX.1 –  sistema  sistema com dois ímãs onde dois polos de mesmo sinal estão frente a frente a uma certa distância.

2-  Colocar a placa de policarbonato sobre os ímãs e uma folha de papel sobre a  placa. Polvilhe a limalha de ferro sobre o papel até que as linhas de campo se tornem visíveis (figura IX.2);

 –  sistema Figura IX.2sobre   sistema com dois ímãs onde uma dois polos sinal estão frentefolha a frente a uma certa distância, o sistema encontram-se placa de de mesmo policarbonato e uma de papel. Uma salpicadora distribui limalha de ferro sobre a folha de papel para visualização das linhas de campo.

44

 

 

3-  Coloque, verticalmente, um dos ímãs sobre a mesa e segure o outro conforme figura IX.3. Mover o sensor de campo magnético entre os dois ímãs e formular uma ideia, seguindo a orientação do ímã do sensor, da forma espacial do campo Magnético.

 N

 N

Figura IX.3 –  Mapeamento  Mapeamento com sensor de Campo Magnético

Parte X –  Campo  Campo Magnético entre dois polos de sinais diferentes. diferentes. Objetivo: Estudar com limalhas de ferro e com o sensor de campo magnético a forma de um campo entre dois polos de sinais diferentes. Material Utilizado:   Ímã reto;   Placa de policarbonato;   Salpicadeira com limalha de ferro;   Sensor de campo magnético;   Folha de papel. Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Colocar dois ímãs sobre uma mesa a uma distância de 50 mm um do outro, de forma que os dois polos de sinais diferentes fiquem frente a frente (figura X.1);

 N

S

Figura X.1 –  sistema   sistema com dois ímãs onde dois polos de sinais diferentes estão frente a frente à certa distância.

45

 

 

2-  Colocar a placa de policarbonato sobre os ímãs e uma folha de papel sobre a  placa. Polvilhe a limalha de ferro sobre o papel até que as linhas de campo se tornem visíveis (figura X.2);

N

S

Figura X.2  –  sistema   sistema com dois ímãs onde dois polos sinais diferentes estão frente a frente à certa distância, sobre o sistema encontram-se uma placa de policarbonato e uma folha de papel. Uma salpicadeira distribui limalha de ferro sobre a folha de papel para visualização das linhas de campo.

3-  Aumentar a distância entre os ímãs (100 mm) e colocá-los no sentido Norte Sul (figura X.3) Mover a bússola, sempre no sentido que indica a agulha,  partindo de um dos polos. A trajetória da agulha corresponde aproximadamente a uma linha de campo. Repetir o procedimento várias vezes modificando ligeiramente ligeiramente o ponto de partida.  N

Figura X.3 - Mapeamento ccom om bússola. Parte XI –  Campo  Campo Magnético M agnético da Terr Terra. a.

Objetivo (os): 1.  Determinar com a bússola os pontos cardeai cardeais; s; 2.  Estudar até que ponto objetos grandes de ferro pode provocar uma indicação errônea dos pontos cardeais; 3.  Averiguar a trajetória das linhas de campo sobre a superfície da esfera terrestre. Material Utilizado:   Bússola;   Esfera de madeira simulando a Terra;   Ímã reto;   Sensor de campo magnético; 46

 

 

Procedimento Proced imento Exper Experimental: imental: 1-  Sustentar a bússola na horizontal, o mais distante possível de qualquer objeto que contenha ferro. Determinar, pela posição da bússola, os pontos cardeais; 2-  Introduzir o ímã colorido na esfera de madeira, com sua parte verde indicando o  polo norte. Procurar não faze fazerr movimentos bruscos, pois o ímã só está se sustentando pela força magnética dos pequenos anéis de ferro da esfera. Deslocar o sensor campo magnético sobreAveriguar a superfície da esfera em que pontos deladetêm polos magnéticos. de que polosesedeterminar tratam (o extremo vermelho do ímã do sensor magnético é seu polo norte);

Figura 9 - Campo Magnético da Terra. 3-  Deslocar o sensor desde um polo da esfera terrestre até o outro polo, passando  pelo equador e voltan voltando do ao ponto de partida. Observar como está variando variando a  posição do sens sensor. or. Repe Repetir tir várias vezes este procedimen procedimento, to, também a distâncias maiores e formular uma ideia da trajetória das linhas de campo sobre a esfera terrestre; 4-  Averiguar a posição tomada pelo ímã do sensor sobre os polos da esfera e finalmente sobre o equador.

47

 

 

EXPERIMENTO VII - FORÇAS ATUANDO SOBRE CONDUTORES COM CORRENTE   CORRENTE I - Objetivo:  Obter o valor do Campo Magnético de um ímã permanente através de medidas da Força atuante sobre um condutor de corrente que percorre uma espira em um Campo Magnético uniforme (força de Lorentz), usando uma balança para medir a variação de massa. II - Material Utilizado:  * Balança (LGN 310) sobre haste; * Haste suporte de 1m de comprimento; * Base tripé; * Grampo em ângulo reto; * Distribuidor; * Ímã em forma de U; * Tira de metal com plugs; * Cabo de conexão, 32ªA, 75cm, vermelho; * Cabo de conexão, 32A, 75cm, azul; * Peças polos retangulares, 1 par; * Espira, L=12,5mm, n=1; * Espira, L=25mm, n=1; * Espira, L=50mm, n=1; * Espira, L=50mm, n=2; * Fonte de alimen alimentação tação 0-5A. 0- 5A. 

III - Introdução teórica Em um campo magnético com uma indução magnética B, a força F (força de Lorentz) atua sobre um carregador de carga móvel, com carga q e velocidade v: 

⋅ ⃗ ⃗)

F=q  ( ×

(1)

O vetor força F é perpendicular ao plano ocupado por v e B. nesse experimento, v e B são também perpendiculares perpendiculares entre si, assim, a relação seguinte assegura os valores dos vetores:

⋅⋅

 F=q v  B  B 

(2) 

A velocidade dos carregadores de carga (elétrons) é medida via corrente elétrica IL  no condutor. A carga total dos elétrons, na seção do condutor de comprimento   L, deve ser formulada para q da seguinte forma:

⋅ ⋅

q v=I  L   L L 

(3)

Portanto, obtemos para a força de Lorentz o que se segue:  F=I  L  L B.

⋅⋅

(4) 48

 

  A direção do vetor força depende da direção do percurso dos elétrons e da direção do campo magnético. No campo, as linhas são paralelas à direção do percurso, uma força atua sobre as espiras de condutor. Em uma indução magnética de B = 0, a  balança muda sua posição com tenuidade quando uma corrente I na espira de condutor for ligada. Em I L = 5A, contudo, a mudança é totalmente mensurável. A explicação para esse efeito é a de que dois condutores conduzindo uma corrente são mutuamente atraídos. Quando uma corrente flui, as tiras flexíveis de metal mudam sua posição com tenuidade, e podem através disso afetar a posição da balança.  Nas duas seções verticais da espira de condutor os elétrons viajam em direções opostas, e as duas forças atuantes sobre eles cancelam uma a outra. Somente a seção horizontal da espira de condutor, cujo comprimento L é indicado em cada ocasião na espira, afeta a força de Lorentz medida. Uma das espiras de condutor tem duas voltas (n=2), cada uma delas com 50 mm de comprimento horizontal. A força de Lorentz sobre essa espira de condutor é exatamente equivalente àquela de uma espira simples e de duas vezes o comprimento L (L=100mm, n=1). Os resultados experimentais serão mostrados em gráficos de F como função de I e o valor da indução magnética B pode ser obtido da inclinação da linha de regressão.

IV - Proc Procedimento edimento Experimental 1.  Monte o experimento segundo a Figura 1. Figura 1 - Arranjo experimental para a balança de corrente. 

Fonte: ROTEIRO EXPERIMENTAL DA PHYWE

2.  As espiras devem ser conectadas em série através de duas tiras metálicas flexíveis com plugs, primeiramente a um distribuidor, e após, via um amperímetro à saída de voltagem de uma fonte de alimentação. A distância entre as tiras metálicas deve ser a maior possível, assim, as forças do campo magnético não atuarão sobre elas; 3. A balança deve ser montada a uma haste e deve ser preparada com isenção de fluxo de corrente na espira de condutor; 4. Coloque os calços dos polos sobre o ímã primeiramente, com espaçamento de aproximadamente 4 cm. Suspenda, na balança, a espira de condutor com L = 12,5mm. A seção horizontal do condutor deve posicionar-se perpendicularmente às linhas de campo e deve ficar no meio do campo uniforme; 49

 

 

5.  Anote o valor da massa registrado na balança, sem a presença de fluxo de corrente (m0). Varie A corrente no condutor aumentando a intervalos de 0,5A até o máximo de 5 A. Anote os novos valores de massa medidos para cada corrente aplicada e coloque-os em uma tabela; 6. Calcule a força de Lorentz usando a diferença entre as duas leituras de massa, antes e depois de aplicar corrente. Monte uma tabela com os valores de força e correntes aplicadas.   7. Repita os procedimentos procedimentos anteriores para as outras espiras; 8. Trace gráficos das forças de Lorentz como função das correntes aplicadas para cada uma das espiras. Encontre os valores de B  através da inclinação da linha de regressão e encontre um valor médio para B; 9. Trace gráficos de F como função de L, mantendo fixa a corrente. corr ente. Encontre um B médio; 10. Meça com um gaussímetro e sonda Hall o campo magnético do ímã. Compare-o com os valores médios de B encontrados nos procedimentos 8 e 9 acima.  

REFERENCIAS: [1] - Manual M anual de roteiros experime experimentais ntais da Phywe.

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EXERIMENTO VIII- CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE  EXERIMENTO TERRESTRE  I - Objetivo: Encontrar o campo magnético terrestre a partir de um campo magnético constante com magnitude e direção conhecidas (campo de um par de bobinas de Helmholtz). II - Material Utilizado: ** Teslameter Par de bobinas de Helmholtz. ou Gaussímetro. * Fonte de alimen alimentação tação universal. * Reostato (resistor variável). * Sonda Hall axial. * Multímetro digital. * Cabos para conexões. * Bússola. * Régua. 

III - Introdução Teórica. Para bobinas sem corrente, a agulha magnética do magnetômetro (ou uma bússola) alinha-se com a componente horizontal hBE (direção norte/sul) do campo magnético terrestre. Se um campo magnético adicional hBH é superposto sobre essa componente através de  bobinas de Helmh Helmholtz, oltz, a agulha será girada em torno de um ângulo   e apontará na direção do campo resultan resultante te hBR . Na Figura 1A, estão representadas as componentes de campo para o caso geral onde  = 90o. Pelo teorema dos senos, nós obtemos:

     

   

(1)

Figura 1 - Componentes de Campo Magnético: A) para o caso geral onde   = 90º e B) componente vertical e ângulo de inclinação medido. 

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   No caso especial oonde nde o eixo da bobina é perpendicular à direção norte/sul ( =90o), o seguinte se aplica:  h

 =   

(2)

h

 = I

(3) 

h

Por meio de calibração  

 K

H∙

Levandoo para a expressão (1) temos: Levand

h

 = I    ∙

 K

H∙

(4) 

Se IH · K é representado como uma função de Senα /  senβ (Figura 2), a componente horizontal do campo magnético terrestre é obtida da inclinaç inclinação. ão.   h

 = 19,2 T

Figura 2- Gráfico de IH.K versus Senα/senβ   Da Figura 1B segue a componente vertical VBE e o ângulo de inclinação medido

         = 67,5° B  =        v

E

h

(5) 

∙tan

A densidade de fluxo total BE é calculada como:

| | = √      = 50,2 



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  Valores de referência para Göttingen:

IV - Proc Procedimento edimento Experimental Monte o experim experimento ento conforme conforme a Figura 3 abaixo; Figura 3 - Arranjo experimental para medida do campo magnético terrestre usando bobinas de Helmholtz.

. As bobinas de Helmholtz, montadas com espaçadores, são conectadas em série e ligadas a uma fonte de alimentação através de um reostato e um multímetro. A sonda Hall deve ser fixada a um suporte, de forma que aponte para dentro do arranjo de  bobinas no centro centro do seu eixo. Nesse arranjo, a densi densidade dade de fluxo horizontal hBH do par de bobinas será determinada como uma função da corrente I H. O fator de calibração  K= h B H I  H é determinado através de um gráfico como o da Figura 4.

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Figura 4 - Função calibração do par de bobinas de Helmholtz.

A bússola é colocada sobre uma régua (no centro das bobinas) apoiada nos espaçadores do arranjo de bobinas. Anota-se, então, a posição norte/sul da bússola sem a aplicação de corrente nas bobinas. Para determinar a componente horizontal hBE do campo magnético terrestre, o ângulo de deflexão a da agulha da bússola é medido como função de diversas correntes aplicadas às bobinas. O ângulo j (figura 1A ) entre a direção note/sul e o eixo do par de bobinas é obtido através da deflexão máxima da agulha quando o resistor é cuto-circuitado, o amperímetro é eliminado e a corrente chega a aproximadamente aproximadamente 4A; Obter a componente horizontal do campo magnético terrestre montando gráfico como o da figura 2 e encontrando a inclinação da curva.

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V - Refer Referências ências - Vários roteiros deste caderno foram elaborados com base nos textos experimentais da PHYWE. - Winfried Rössler, “La Física en Experimentos de Alumnos –  Electrostática”, Série de  escritos PHYWE, PHYWE SYSTEME GMBH Göttingen - Diversos livros de Física básica de nível universitár universitário, io, volumes 3 e 4  

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