campo eletrico e curva equipoencial

LINHAS DE CAMPO ELETRICO E CURVAS EQUIPOTENCIAIS
1. OBJETIVOS:
•
Descrever o conceito de Campo Elétrico
•
Fazer um mapeamento das linhas de campo elétrico de vários sistemas eletrostáticos. Fazer o
mapeamento de superfícies equipotenciais de vários sistemas eletrostáticos.
2. INTRODUÇÃO:
Um campo é qualquer região do espaço caracterizado por alguma grandeza física em função
(x,y,z,t). Os campos podem ser escalares ou vetoriais. Entre os campos escalares temos o térmico, da
pressão, da temperatura, etc. Em relação aos campos vetoriais temos o campo gravitacional, campo
magnético e campo elétrico. Em todos esses casos os campos explicam a interação da matéria mesmo
não havendo contato físico entre elas. No entanto, nosso conhecimento de campo não foi
originalmente dessa forma. O conceito de campo era estudado através das linhas de campo elétrico,
proposto por Michael Faraday:
•
As linhas de força iniciam e terminam nas cargas só
•
O número de linhas de força que iniciam numa carga pontual positiva, e terminam numa carga
pontual negativa, é proporcional à magnitude da carga.
•
As linhas de força se distribuem simetricamente começando na carga positiva, ou terminando na
carga negativa
•
As linhas de força não podem se cruzar uma com outra
•
A intensidade de campo se visualiza através da aproximação entre as linhas de força. A maior
densidade das linhas, maior será a intensidade de campo elétrico.
Com as linhas de força é possível o campo elétrico em qualquer região do espaço. Por exemplo, na
figura 1, o campo elétrico na região A é mais intenso do que na região B em razão da maior
concentração de linha de força nessa região.
Figura 1: Linhas de força mostrando que na região A é mais intenso o
campo elétrico.
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Por outro lado, os potenciais elétricos podem ser mostrados nas linhas de força através das
curvas equipotenciais, onde a interação entre as curvas equipotenciais e as linhas de força ocorre em
ângulos retos, veja figura 2. Neste experimento, poderá ser visualizado as linhas de força e as
superfícies equipotenciais de diferentes configurações de cargas eletrostáticas.
Figura 2: Visualização parcial de algumas linhas de força e as
superfícies equipotenciais.
3. FUNDAMENTO TEORICO
Na definição do campo elétrico E é necessário uma carga de teste suficientemente pequena de
maneira que não altere as posições ou movimentos de outras cargas vizinhas que estão produzindo
esse campo E. A carga de teste qo deve ser positiva e ao ser colocada na proximidade de outra carga q,
ela estará submetida a uma força F. Portanto, define-se o campo elétrico E da carga q como a razão da
força que é exercida sobre qo dividido pelo valor da carga de qo.
= → ( )
A medida do campo elétrico pode ser feito através da medida da força agindo sobre a carga qo.
Outra forma de medir o campo elétrico é através da medida do potencial elétrico. Quando a carga qo é
deslocada desde um ponto A com potencial VA para outro ponto B com potencial VB o campo elétrico
realiza um trabalho sobre ela. Isto é, um trabalho qo . (VA - VB). Como o trabalho é a força
multiplicada pela distancia, a força media pode ser calculada se conhecemos os potenciais e a
distancia. Calculado a força e sabendo a carga, pode-se calcular o campo E.
. = ( − )
=
( − )
=
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(a)
(b)
Figura 3: linhas de força e curvas equipotenciais de (a) uma carga
pontual (b) duas cargas positivas separadas.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
LINHAS DE CAMPO ELÉTRICO
MATERIAIS
1.
•
Sementes de grama (ou material isolante semelhante);
•
Óleo vegetal (de cozinha)
•
Gerador de Van der Graaff;
Coloque óleo na vazia, mergulhe nele um eletrodo da forma escolhida, ligado por meio de um
condutor à esfera do gerador de Van der Graff. O eletrodo recebendo então, carga de sinal igual
à esfera, criará no óleo um campo elétrico cujas linhas de força são materializadas pela
colocação de sementes de grama no sistema. Observe que as sementes se alinham nas direções
das linhas de força. Para cada forma de eletrodo ligado ao Van der Graaff, desenhe as linhas de
força.
2.
Para obter linhas de força de um campo criado por cargas de sinais contrários, tome dois (2)
eletrodos ligando um deles à esfera e o outro à base do aparelho. Faça a experiência com
eletrodos de diversas formas: duas placas paralelas, os dois eletrodos puntiformes, anéis
concêntricos, etc.
3.
Faça uma descrição do experimento para cada uma das configurações dos eletrodos e se for
possível explique com seus cálculos teóricos.
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CURVAS EQUIPOTENCIAIS
MATERIAIS
•
Papel milimetrado
•
Fonte de alimentação de corrente continua (0-5V)
•
Uma vazia transparente contendo água até 1 cm de altura
•
Conjunto de eletrodos eletrostáticos
•
Cabos banana-banana
1.
Montar o experimento de acordo com o esquema da figura 4a. Tome em consideração a fixação
do terminal comum do multímetro, eletrodo negativo e com o terminal de referencia da fonte de
alimentação. Alem disto, os eletrodos devem estar postos em contato com a solução condutora.
2.
Ligue a fonte de alimentação configurado em 5 V.
3.
Para construir a curva equipotencial de 1V para a configuração de eletrodos eletricamente
carregados, faça uma varredura com a outra ponta de prova do voltímetro sobre a superfície do
liquido em relação do eletrodo negativo, até encontrar o valor de 1V. Os pontos marcados no
papel milimetrado devem ser aqueles que têm o mesmo valor de potencial de 1V marcado no
multímetro.
4.
O passo anterior deve ser repetido por todos os colegas do grupo para verificar a curva
equipotencial de 1V.
5.
Repita o mesmo procedimento para outros valores de equipotenciais (2V, 3V, 4V, 5V)
6.
Repita os passos anteriores para outras configurações de eletrodos dados pelo professor, veja as
figuras 4b, 4c e 4d.
Figura 4. Quatro configurações distintas de eletrodos
A seguir, o questionário que deve ser resolvido e apresentado no relatório, seção de discussões.
1.
O que é campo elétrico?
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2.
O que é ação a distancia?
3.
Que relação existe entre linhas de força e campo elétrico?
4.
Qual é a relação entre densidade de linhas de força e intensidade de campo elétrico?
5.
O que é potencial elétrico?
6.
O que você entende por superfície equipotencial?
7.
Os potenciais são valores absolutos ou relativos?
8.
Represente as superfícies potenciais e as linhas de campo elétrico geradas no espaço por uma
carga elétrica puntiforme fixa e negativa.
9.
Considere um eletrodo positivo e outro negativo separados por uma distancia qualquer. Se uma
pequena carga elétrica positiva for solta próximo ao eletrodo positivo, esta carga se dirigirá ao
eletrodo negativo, seguindo a linha de força que passa pelo ponto em que a carga foi deixada.
Explique porque.
10.
Represente esquematicamente as superfícies equipotenciais e as linhas de força de um campo
elétrico uniforme.
11.
Represente esquematicamente as superfícies equipotenciais do campo elétrico abaixo, nos
pontos A, B, C, D.
12.
Com base na pergunta anterior, ordene os potenciais elétricos dos pontos A, B, C e D em ordem
crescente.
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