Roteiro da primeira aula - Departamento de Física UFJF

Laboratório de Ciências
1º Aula
CORRENTE ELÉTRICA
MATERIAL A SER UTILIZADO:
– 1 conjunto para balanço de corrente com imã
– 1 aro de metal com agulha imantada (bússola)
– 1 fio de aço inox
– solução de bicarbonato de sódio (1g/ml)
– 2 eletrodos
– cabos: 2 grandes e 4 pequenos com pino banana, 1 grande com garra jacaré
– fonte de tensão
– cabos
– grafite 0.5
– 4 resistores de 1 kΩ
– 1 miliamperímetro
– placa para montagem de circuito com postes de latão
TRAGA PARA A AULA:
Lápis, caneta, borracha, régua, calculadora, caderno de laboratório.
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A) Manifestações de corrente elétrica
É difícil entender a corrente elétrica porque não podemos ver as cargas elétricas
fluindo num condutor da forma como vemos água correndo num rio. Mas a corrente
elétrica se manifesta de diversas formas perceptíveis: 1) A passagem de corrente num
fio metálico fino resulta numa elevação da temperatura do fio (isto é utilizado em
lâmpadas incandescentes); 2) Um imã pode exercer força sobre um fio com corrente
elétrica; 3) A passagem de corrente num fio metálico cria um campo magnético ao redor
do fio (que pode ser visualizado com a ajuda de uma bússola); 4) A passagem de
corrente de um metal para uma solução de um sal em água é acompanhada por um
processo químico.
Na primeira tarefa experimental desta aula você poderá visualizar os quatro fenômenos.
Tarefa I:
1. Monte um circuito que contenha os seguintes elementos:
•
Um fio fino de aço inox esticado ente dois postes de latão.
•
A
Um balanço cuja haste
horizontal se move entre
B
dois imãs.
•
Um aro de metal com
uma bússola orientada no
plano do aro.
•
Uma solução de
bicarbonato de sódio com
dois terminais metálicos
Fig. 1: Ligação em série de quatro elementos.
mergulhados na solução.
2
2. Conecte os quatro elementos com fios elétricos (fios de laboratório que
terminam em “pinos banana” ou em conectores “jacaré”) de tal forma que tudo
forme um único caminho para a eletricidade. Este tipo de ligação se chama
ligação em série. A figura 1 mostra esta ligação esquematicamente. O caminho
formado por fios começa no ponto A (indicado na figura) e termina no ponto B.
3. Descreva os fenômenos observáveis em cada um dos quatro elementos (fio,
balança, bússola e solução) nas seguintes situações (nota: durante todo o
experimento, escreva o que você observar em seu caderno de laboratório):
a) com os pontos A e B ligados nas saídas da fonte de alimentação
(saídas marcadas com “+” e “-“). A fonte deve ser ligada na rede elétrica,
com o botão principal ligado e com todos os quatro botões redondos
girados para a direita. Atenção para não queimar a fonte: ligue na tensão
correta (110V ou 220V)!
b) com os pontos A e B ligados na fonte, mas na ordem trocada.
c) com somente um ponto A ou B ligado na fonte.
d) com o ponto A ligado no ponto B (sem fonte)
e) com os pontos A e B ligados na fonte como no item 1a), observe o
comportamento do balanço quando você aproxima os arames enrolados
na solução de bicarbonato. Você pode aproximá-las até um arame
encostar-se ao outro. Também experimente qual é o comportamento do
balanço quando você tira um dos arames da solução.
4. Discuta a condição necessária para ter corrente elétrica.
B) Bons caminhos para a corrente e caminhos com obstáculos.
Vimos, nas primeiras experiências, que as manifestações de corrente elétrica só
aparecem quando completarmos o caminho para a corrente com fios ou soluções de sais.
No item 1e) ficou claro que a força sobre a haste do balanço fica mais forte quanto
menor o caminho da corrente dentro da solução de bicarbonato. Então aparentemente a
solução funciona como um obstáculo para a corrente. Vamos explorar obstáculos para a
corrente mais detalhadamente.
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Tarefa II:
1. Monte um circuito com a fonte, fios de laboratório, o fio de aço e o balanço como
mostra a figura 2. Em vez de ligar os fios de laboratório nos dois postes de latão
encoste o “pino banana” de um dos fios de laboratório no arame fino de aço como
mostra a figura.
2. Ajuste a fonte até aparecer o valor 2.00 V no mostrador direito.
2,00
Fig. 2: Circuito com fonte de tensão, o balanço e um
pedaço de fio de aço ligados em série.
3. Mude o ponto de encostar o pino banana no arame de aço e observe o
comportamento do balanço.
4. Descreva as suas conclusões.
5. Ligue o balanço diretamente na fonte com dois fios de laboratório.
6. Depois substitua um dos fios de laboratório por dois fios de laboratório em série e
compare as reações do balanço. Como você classifica os fios de laboratório? Eles
são
bons
caminhos
(bons
condutores) ou são obstáculos?
7. Ligue a fonte (regulado no valor
2.00 V no mostrador da direita)
2.00
em série com o balanço e com um
ou dois pedaços de grafite como
mostra a figura 3.
8. Observe
e
descreva
o
comportamento do balanço.
Fig. 3 Grafites como obstáculos
Objetos que funcionam como obstáculos para a corrente elétrica são chamados
de resistores. Eles são elementos importantes em circuitos de eletrônica e você pode
comprá-los em lojas de material eletrônico.
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C) Medidores de Corrente
Cada uma das quatro manifestações da corrente elétrica vistas na primeira
experiência pode ser usada para medir corrente elétrica quantitativamente. Por exemplo,
poderíamos medir quantos mililitros de gás por segundo são gerados num dos arames
mergulhados na solução de bicarbonato e poderíamos usar este valor para quantificar a
corrente elétrica. A força magnética que um imã exerce sobre um fio elétrico é
frequentemente usada para quantificar a corrente. Fizemos isto (ainda de forma
qualitativa) nas experiências 1e) e 2a) – 2c). Existem instrumentos comercialmente
disponíveis que empregam este método. No lugar do balanço, estes instrumentos usam
um fio enrolado numa pequena moldura que é presa numa mola espiral e pode girar em
torno de um cilindro de ferro entre os polos de um imã. A figura 4 mostra um
instrumento deste tipo. O nome deste medidor é galvanômetro ou amperímetro de
bobina girante.
Temos
amperímetros
de
bobina
girante. Estes instrumentos são muito
mais sensíveis que o balanço. Desta
forma
podemos
medir
correntes
menores. Isto permite substituir os
grafites
por
resistores
de
maior
resistência, como iremos fazer adiante.
Fig. 4 Amperímetro de bobina girante. 1- fio enrolado
numa moldura, 2- moldura, 3- cilindro de ferro, 4- molas
espirais, 5- suporte do eixo de rotação da moldura, 6imã, 7- escala, 8- ponteiro.
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Tarefa III:
1. Substitua
o
balanço
pelo
1.50
amperímetro de bobina girante e os
grafites
por
comerciais
de
vários
resistores
eletrônica
como
mostra a figura 5.
2. Regule o botão da fonte para
obter um valor 1.50 V no mostrador
da direita.
Fig. 5 Circuito da tarefa 1
3. Use um, depois dois, três e finalmente quatro resistores em série e observe os
valores indicados no amperímetro.
4. Inverta também o sentido da fonte trocando os fios que entram no “+” e “-“.
5. Não se esqueça de anotar suas observações e conclusões no caderno de
laboratório!
Tarefa IV:
1. Insira no circuito da figura 5 um segundo amperímetro de bobina girante e compare
as leituras dos dois amperímetros.
2. Escolha diversos lugares para inserir os amperímetros no circuito e observe se os
valores indicados dependem do lugar. Atenção! Antes de ligar o circuito mostre o
arranjo para o professor ou monitor!!!!
Comentário sobre a unidade de corrente:
Vimos valores numéricos nas experiências 3a – 3c. Mas, valores de correntes
não são (apenas) números! Para podermos associar um valor de corrente a um número
precisamos de uma unidade de corrente. Uma unidade de uma grandeza física é nada
mais que um determinado valor da grandeza. Para facilitar a comunicação é conveniente
usar valores que possam ser realizados com precisão em qualquer parte do mundo. No
caso da corrente elétrica o valor padrão tem o nome de Ampère (nome do físico francês
André-Marie Ampère) e é definido com a ajuda das duas manifestações magnéticas da
corrente (manifestação 2 e 3 da nossa experiência 1):
6
Para definir a unidade Ampère, usam-se dois fios compridos que levam a mesma
corrente. Um fio cria um campo magnético e o outro sofre uma força magnética. A
definição de um Ampère é:
Um Ampère (1A) é a corrente estacionária que, quando mantida em dois
fios retilíneos paralelos muito longos separados por uma distância de 1 m,
produz entre eles uma força de interação magnética, por metro, de 2x10 -7
N.
Lembramos que 1 N (um Newton) é a força necessária para atribuir uma aceleração de 1
m/s2 a uma massa de 1 kg.
D) Fontes num Circuito
Na experiência 1c) vimos que um circuito tem que ser fechado para haver
corrente nele. Isto significa o caminho tem que formar um anel completo. Tal anel
completo é chamado de malha. Mas, mesmo tendo uma malha completa não há sempre
corrente. Na experiência 1d) formamos uma malha mas não tinha corrente. É necessário
um elemento especial numa malha que provoque a corrente elétrica. Nas experiências 1)
– 3) o elemento especial era um aparato chamado fonte regulável, que precisa ser ligado
na tomada. Outras fontes bem conhecidas são as pilhas. Nestas pilhas ocorrem reações
químicas que provocam corrente. Nas aulas dadas pelos Professores de Química
teremos mais informação sobre geração de correntes por reações químicas. Existem
também outras formas de gerar corrente:
Experimente: Ligue o amperímetro de bobina girante num solenoide e empurre um imã
dentro do solenoide. Observe e descreva o comportamento do fenômeno.
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