Baixe Relatorio 4 de Fisica XX- UFF e outras Provas em PDF para Física, somente na Docsity! UFF - Universidade Federal Fluminense Instituto de Física Laboratório de Física XX Laboratório 4 – Linhas Equipotenciais do Campo Elétrico em uma Cuba Data: Turma: Instrutor: Alunos: Esta experiência consiste na obtenção das linhas equipotenciais do campo elétrico () em uma cuba de água. O campo elétrico é gerado por dois terminais (hastes metálicas) imersos em água e ligados a uma fonte de tensão contínua, de modo a simular o criado por dois condutores carregados com cargas opostas, que compartam como uma espécie de capacitor. Também foi feito o calculo aproximado do em um determinado ponto do capacitor e verificado experimentalmente os efeitos de blindagem dos materiais condutores. Introdução Teórica O capacitor no caso do nosso experimento consiste em duas placas que armazenam cargas opostas. Estas placas são condutoras e são separadas por uma distância d, a carga é armazenada na superfície das placas. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no capaciotor é sempre zero. O campo elétrico está relacionado com uma grandeza escalar, o potencial elétrico V. A região entre as placas do capacitor com mesmo valor de potencial pode ser representada por linhas ou superfícies paralelas as placas, chamadas de equipotenciais. A relação geométrica entre as linhas equipotenciais com o campo elétrico é direta, as linhas de força são tangentes à direção do campo elétrico e perpendiculares às curvas equipotenciais. Como foi dito antes as linha equipotenciais são as linhas que possuem o mesmo potencial, sendo, por definição WE= qΔV, então o trabalho que se realiza sobre uma carga pelo campo elétrico quando ela se move entre dois pontos sobre uma mesma linha equipotencial deve ser zero, pois ΔV= 0. Neste experimento as placas têm dimensões finitas, logo se observa o paralelismo entre as linhas equipotenciais em pontos distantes das bordas das placas, pois em pontos próximos as bordas observamos o “Efeito de Borda”, em que as linhas equipotenciais não se arranjam de forma paralela entre elas. O campo elétrico no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático é nulo. Uma aplicação pratica dessa propriedade é a “Blindagem Eletrostática”, que é um dispositivo empregado na proteção de aparelhos contra as influências elétricas. Constitui-se, basicamente, numa superfície metálica que envolve o aparelho, ou podemos dizer uma região, que se quer isolar. A blindagem eletrostática mostra que uma pessoa dentro de um carro atingido por um raio nada sofrerá, pois a estrutura metálica do carro está isolada, no seu interior, das influências elétricas externas. Metodologia Utilizada no Experimento Terminais planos paralelos: Desenho no papel milimetrado. (d) Obtenha o vetor campo elétrico nos pontos centrais do capacitor, usando para isso as equipotenciais de 3,0 V e 5,0 V. Sabemos que no eixo y o vetor campo elétrico é nulo, pois não existe variação do potencial elétrico neste eixo, logo ΔV= 0, o que justifica dizer que Ey= 0. Já no eixo x sabemos que ΔV≠ 0, logo podemos afirmar que Ex não é nulo e pode ser calculado por: . Temos que: ΔV= 5 V – 3 V= 2 V e Δx= 2,2x10-2 m. Então podemos calcular: (e) Movimente a ponta de prova na região atrás das placas planas metálicas. Como se comparam o campo elétrico nesta região com o campo entre as placas? Qual a condição para que o campo elétrico fora das placas seja nulo? O campo elétrico atrás das placas metálicas é bem discreto e, comparando com o campo elétrico entre as placas, varia muito pouco, de maneira quase imperceptível. Para que o campo elétrico fora das placas fosse nulo elas deveriam ser infinitas. (f) Coloque o terminal cilíndrico metálico entre as placas que continuam ligadas à fonte de tensão. Movimente a ponta de prova no interior do cilindro. O que você pode afirmar sobre o campo elétrico nesta região? Repita o mesmo procedimento substituindo o cilindro isolante e refaça suas observações. Justifique suas respostas. Uma vez que o metal blinda o interior do cilindro contra o campo elétrico das placas metálicas do capacitor e ao movimentarmos a ponta de prova no interior do cilindro metálico observamos que o potencial elétrico é constante, ou seja, ΔV= 0, como , o campo elétrico em seu interior é nulo. Se o cilindro for constituído de um material isolante, este não blindará o interior do cilindro contra o campo elétrico do capacitor e ao movimentarmos a ponta de prova em seu interior o potencial elétrico varia, logo ΔV≠ 0, o que faz do campo elétrico não nulo. 2 - Terminal Fino e Terminal Cilíndrico: (a) O que você pode observar com relação ao potencial elétrico (constante ou variável) dentro e fora do terminal cilíndrico metálico? Dentro do terminal cilíndrico o potencial elétrico é constante, devido à blindagem feita pelo metal. Fora do terminal cilíndrico o potencial elétrico é variável. (b) O que se pode dizer sobre o campo elétrico (nulo ou não) dentro e fora do terminal cilíndrico metálico? Justifique a sua resposta. Levando em consideração a equação: . Dentro do terminal cilíndrico o campo elétrico é nulo, uma vez que o potencial elétrico é constante (ΔV= 0). Fora do terminal o campo elétrico é não nulo, uma vez que o potencial elétrico varia (ΔV≠ 0). (c) Faça um esquema qualitativo de como a carga q de um condutor cilíndrico se distribui, quando uma carga cilíndrica de raio pequeno –q está localizada fora da região delimitada pelo condutor. A situação é análoga à montagem experimental. Devido à presença da carga -q a carga no cilindro q se distribuirá de modo a deixar metade do cilindro carregado positivamente e a outra metade carregada negativamente. Coloque o terminal metálico fino dentro da região delimitada pelo terminal metálico cilíndrico. Responda para essa nova montagem as questões de 2 - a, b e c. No item c, faça o esquema qualitativo de como as cargas se distribuem no condutor cilíndrico quando a carga elétrica cilíndrica fina se encontra na região interna desse condutor. (a) O que você pode observar com relação ao potencial elétrico (constante ou variável) dentro e fora do terminal cilíndrico metálico? Dentro do terminal cilíndrico o potencial elétrico é variável e podemos observar que as equipotenciais são círculos concêntricos. Fora do terminal cilíndrico o potencial elétrico é constante, devido à blindagem feita pelo metal. (b) O que se pode dizer sobre o campo elétrico (nulo ou não) dentro e fora do terminal cilíndrico metálico? Justifique a sua resposta. Levando em consideração a equação: . Dentro do terminal cilíndrico o campo elétrico é não nulo, uma vez que o potencial elétrico é variável (ΔV≠ 0). Fora do terminal o campo elétrico é nulo, uma vez que o potencial elétrico é constante (ΔV= 0). (c) Faça um esquema qualitativo de como a carga q de um condutor cilíndrico se distribui, quando uma carga cilíndrica de raio pequeno –q está localizada na região interna do condutor. Devido a presença da carga –q na região interna do condutor cilíndrico a carga q se distribuirá de maneira uniforme na superfície do cilindro. Na última montagem, utilize o multímetro par medir a corrente elétrica do circuito. Nesta experiência, utilizamos da torneira para encher a cuba. Como contém algumas impurezas, principalmente sais minerais, esta água é fracamente condutora. Comente o que aconteceria se utilizássemos água deionizada, que praticamente não conduz eletricidade. A corrente elétrica medida pelo multímetro foi de (2,5 ± 0,3) mA. Se utilizássemos água deionizada, ela não conduziria eletricidade e por consequencia não seria possível a realização do experimento. Conclusão Na experiência com terminais planos paralelos conseguiu-se mapear as curvas eqüipotenciais. As curvas obtidas não foram exatamente iguais as propostas pela teoria. Uma explicação para isso é que teoricamente consideramos os planos paralelos como infinitos, não considerando os efeitos visualizados nas extremidades dos planos, chamados efeitos de borda. Pudemos verificar também que, na realidade existe campo elétrico fora da região que compreende as placas paralelas, mais uma vez é devido aos efeitos de borda. Na experiência com um terminal fino e outro cilíndrico pudemos observar o fenômeno da 'blindagem' eletrostática. Todos os pontos de um condutor num campo elétrico externo apresentam o mesmo potencial elétrico. Sabendo que as linhas de força são perpendiculares às superfícies eqüipotenciais visualizamos assim os vetores campo elétrico. E, num ponto específico, o calculamos de forma aproximada considerando que o campo apresenta apenas componentes na direção do eixo x, o que é razoável.