Guia do Professor
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Guia do Professor Experimento Cuba Eletrolítica 1 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Caro Professor(a), Esse guia visa apresentar o experimento produzido para trabalhar com a temática Campo, assim como todos os outros recursos elaborados para trabalhar com essa temática, os respectivos conteúdos abordados em cada um deles e links e bibliografias produzidos referente à mesma. É importante mencionar que a utilização desses materiais deve seguir a sua concepção de ensino e aprendizagem. No entanto, de maneira geral, eles foram produzidos visando motivar o aluno a questionar e refletir sobre o tema em questão, através de situações problematizadoras, em contextos curiosos e instigantes para o aluno do 2º. Grau, possibilitando o aprendizado de uma ciência mais contextualizada, com implicações tecnológicas e sociais. - As mídias desenvolvidas sobre o tema Campo; Para trabalhar com esse tema, foram desenvolvidas três mídias, que apesar de estarem publicadas separadamente, poderão ser todas baixadas do Portal do Professor para a sua máquina: 1. Áudio - O conceito de Campo 2. Experimento – Cuba Eletrolítica 3. Software - Campo Elétrico A seguir, apresentaremos um quadro com os detalhamentos dessas mídias. Mídias Software Áudio Comentários O software é sobre campo elétrico. Explora aspectos quantitativos do campo elétrico assim como propõe algumas questões que levam o aluno a refletir sobre o conceito de campo. A atividade pretende introduzir de uma forma lúdica o conceito de Campo. O locutor Perez Pereira dá inicio ao programa fazendo aos ouvintes a pergunta: Como é possível explicar as forças naturais que atraem e repelem objetos à distância? Após algumas respostas o locutor convoca o estagiário Billy Sistrepa e mandao para o pólo sul levando uma bússola para se orientar e voltar para casa. Na segunda parte do áudio temos a participação de 2 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Experimento Carol Carolina, telefonista investigativa que, simulando contacto com Michael Faraday, obtém informações sobre o conceito de campos em Física. Faraday esclarece que o espaço ao redor de massas, cargas elétricas e dipolos magnéticos têm suas propriedades modificadas pela presença desses objetos. Além disso, propõe a existência de linhas de campo que, de certa forma, mapeiam a distribuição do campo no espaço. Esse experimento permite, utilizando uma cuba eletrolítica, mapear o campo elétrico para configurações simples de distribuição de condutores. Os conceitos envolvidos são: força, carga, campo, energia potencial, potencial, linhas de campo, superfícies equipotenciais. Os objetivos dessa atividade são: obter linhas eqüipotenciais em uma cuba eletrolítica; mapear as linhas de campo a partir das linhas eqüipotenciais, desenvolver os conceitos de potencial e campo, familiarizar-se com o campo para diversas distribuições de carga. Cada uma dessas mídias possui um guia para auxiliá-lo no desenvolvimento das atividades. A seguir é apresentado o guia do professor para este experimento “Cuba Eletrolítica”. Esse documento apresenta a você, professor, um detalhamento sobre todas as etapas do experimento, seus objetivos e formas de desenvolver em sua sala de aula. A seguir apresentaremos um breve resumo de como o recurso está estruturado em sua versão html (site): Utilizando a versão html (site) do experimento Segue um breve resumo de como o recurso está estruturado em sua versão html (site): Dados Gerais - apresenta as seguintes informações: série na qual normalmente tal conteúdo é trabalhado, os assuntos relacionados, o tempo previsto e os pré-requisitos para a execução do experimento, assim como os objetivos que fundamentam sua aplicação. 3 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Introdução - apresenta a fundamentação teórica dessa temática. Condições de Segurança - é extremamente importante a você professor por sugerir cuidados ao executar as etapas do experimento. Procedimento - apresenta como desenvolver o experimento, quais os materiais utilizados, assim como as etapas a seguir. Orientações - traz orientações ao professor sobre a utilização, o desenvolvimento e a aplicação desse material em sala de aula. Questões – apresenta questões e respostas que podem ajudar no embasamento teórico da aula. Estas questões estão dividas em três categorias: questão prévia, que deve antecipar o experimento, questões relativas aos resultados, questões para reflexão e discussão e questões desafio, que são mais amplas e reflexivas sobre o tema do experimento. Sugestão de Interface com outras disciplinas – apresenta informações que possibilitam um trabalho interdisciplinar. Informações Adicionais - traz sugestões de links, biografias e explicações que complementam o trabalho realizado. De professor para professor – vídeo que traz sugestões de um outro professor, também do ensino médio, sobre o desenvolvimento do experimento proposto. 4 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Créditos – apresenta informações relativas à autoria do material, do projeto Acessa Física e seus financiadores. Guia do Professor – apresenta link para baixar este guia do professor em formato PDF, possibilitando a utilização do recurso mesmo em situações onde não seja possível o acesso a um computador. Para visualizar arquivos PDF é necessário utilizar o Acrobat Reader. Caso não possua esse programa nesta sessão também é disponibilizado um link para baixá-lo. Recursos Adicionais Acessibilidade Visual - pensando na questão de conforto a acessibilidade visual, o material possui a funcionalidade de aumento e diminuição do tamanho da fonte. Impressão da página – permite a impressão de cada página do site separadamente, oferecendo flexibilidade na utilização parcial do conteúdo com seus alunos. Ajuda – apresenta breve descrição de cada item do site. Navegação Linear – apresentada no início e fim de cada página, fornece uma forma linear de navegação pelo conteúdo do recurso, percorrendo todas as sessões do site ordenadamente. Segue o conteúdo completo do experimento para impressão e utilização do mesmo em situações onde não seja possível o acesso a um computador. Bom experimento! 5 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Home - Experimento Cuba Eletrolítica Questão Prévia Por que descargas elétricas geram raios entre nuvens ou entre nuvem e a terra? 6 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Dados Gerais Atividade: Cuba Eletrolítica. Série escolar: 3ª série do Ensino Médio. Tema da atividade: Campo Elétrico. Assunto: Utilizando uma cuba eletrolítica mapear o campo elétrico para configurações simples de distribuição de condutores. Tempo Previsto: 2 aulas de 50 minutos. Palavras-Chaves: Campo, campo elétrico, potencial elétrico, linhas de campo, equipotenciais. Conceitos envolvidos: Força, carga, campo, energia potencial, potencial, linhas de campo, superfícies equipotenciais. Pré-requisitos: O aluno deve conhecer e compreender os conceitos de carga, condutores, isolantes, corrente e potencial elétrico, embora esse último possa ser desenvolvido simultaneamente. Objetivos Obter linhas equipotenciais em uma cuba eletrolítica; Mapear as linhas de campo a partir das linhas equipotenciais; Desenvolver os conceitos de potencial e campo; Familiarizar-se com o campo para diversas distribuições de carga. 7 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Introdução O vetor campo elétrico em um ponto do espaço é definido como a relação entre a força que uma carga sente, se for colocada naquele ponto, e o valor dessa carga. Isto é, se colocarmos uma carga q em um ponto em que o campo é , a força sobre esta carga será: logo Para se medir o campo elétrico, portanto, deve-se medir a força que age sobre uma carga conhecida. Uma forma alternativa, e mais prática, de se medir o campo elétrico é fazê-lo a partir do potencial elétrico. Quando uma carga q é deslocada de um ponto com potencial VA para outro ponto com potencial VB, o campo elétrico realiza sobre ela um trabalho q (VA - VB). Como o trabalho é a projeção da força na direção do deslocamento multiplicada pela distância percorrida, a força poderá ser calculada se conhecermos o potencial e a distância, sempre que a força for paralela a direção do deslocamento. Ou seja, Se conhecermos duas superfícies, nas quais o potencial elétrico é constante – as equipotenciais – podemos calcular o campo elétrico médio entre elas lembrando que o campo é sempre perpendicular às equipotenciais e utilizando a fórmula acima para calcular seu valor. Infelizmente, é muito difícil medir diretamente os campos eletrostáticos, pois as cargas envolvidas, em geral, são muito pequenas e podem ser alteradas no processo de medição. Neste experimento, substituímos o dielétrico, que normalmente separa as cargas (vácuo ou isolante), por uma solução condutora. Como em todo condutor, as cargas se movimentam dentro da solução e 8 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT devem ser rapidamente substituídas de modo a manter o campo constante. Isso se consegue com o uso de uma fonte de tensão constante. Como veremos, o potencial elétrico dentro da solução pode ser facilmente medido e a partir dele podemos calcular o campo elétrico. Um conceito bastante útil na visualização de um campo elétrico é o de linha de força. Uma linha de força é uma linha que é paralela ao campo elétrico em qualquer ponto. Assim, quando desenhamos uma linha de força temos uma idéia bastante clara da "forma" do campo elétrico. Na figura 1, o campo elétrico é representado por linhas de força e por equipotenciais em duas situações simples. Uma propriedade importante das linhas de força é que elas são sempre perpendiculares às equipotenciais. As linhas de força têm a mesma orientação que o campo elétrico,dessa forma elas saem das cargas positivas e entram nas cargas negativas. Observe como a forma das linhas de força na figura 1 se dobram para fora sugerindo visualmente a repulsão que acontece entre as duas cargas. Como seriam as linhas de força se todas as cargas positivas da figura 1 fossem substituídas por cargas negativas? E se apenas uma delas fosse substituída por uma carga negativa? Uma limitação da figura é que ela representa as equipotenciais e as linhas de força apenas no plano do desenho, no entanto, o campo eletrostático ocupa 9 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT todo o espaço em torno das cargas. Sendo assim, as equipotenciais não são curvas, mas são superfícies e existem linhas de força que saem dos dois lados do papel, que não conseguimos reproduzir neste tipo de figura. As unidades que usaremos em nossos experimentos são: carga elétrica – q – coulomb (C) campo elétrico – E – newton por coulomb (N/C) ou volts por metro (V/m) potencial elétrico – V – volt (V) Condições de Segurança Este experimento não apresenta nenhuma forma especial de risco para os alunos, desde que sejam adotados os procedimentos adequados no tratamento de pilhas e de resíduos. Durante a preparação do material, são usados objetos cortantes – tesoura, estilete – que exigem os cuidados rotineiros. Lista de Materiais bacia retangular de fundo plano; placa de registro; eletrodos (cilíndricos, planos ou de diversas formas); água; pano ou papel toalha para enxugar a placa de registro; fonte de tensão; multímetro; dois pedaços com 0,5m de cabo elétrico flexível (~0,20mm2). Régua, lápis ou lapiseira e borracha; Papel de seda ou vegetal, que permita a cópia do registro. 10 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Consulte a seção de “Orientações” para esclarecimentos sobre a construção da cuba. Nos subitens aparecem as especificações mais detalhadas dos materiais da lista, como por exemplo, a fonte de tensão e a placa de registro. Etapas do procedimento Etapa 1: Montagem da Cuba (Figura 2) Monte a cuba em uma superfície horizontal e firme. A placa para registro deve ficar no fundo, com o plástico branco para cima. Se for necessário, coloque objetos isolantes e pesados sobre a placa para mantê-la no fundo do recipiente. Esses objetos não devem ficar entre os eletrodos, ou seja, na região onde queremos mapear o campo. Coloque os eletrodos sobre a placa, a uma distância de aproximadamente 10 cm. Marque com lápis as posições dos eletrodos sobre a placa de registro. Isso será útil na fase de análise e no caso de um deslocamento acidental dos eletrodos durante a realização da experiência. Coloque água na cuba até que atinja uma altura de 3 a 5 mm acima da placa de registro. Certifique-se de que o nível da água é o mesmo em todos os pontos sobre a placa de registro. 11 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Etapa 2: Montagem do Circuito (Figura 3) Cuidando para não movimentar os eletrodos, ligue os fios dos eletrodos à sua fonte de tensão, marcando a polaridade. Etapa 3: Medindo a tensão da fonte (Figura 4) Regule o multímetro para medir tensões contínuas de até 20V e meça a tensão entre os eletrodos 12 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Etapa 4: Encontrando um potencial específico dentro da solução (Figura 5) Ainda com a escala de 20V, procure um ponto dentro da solução que esteja a 1,8V do eletrodo negativo. Faça isso tocando o eletrodo negativo com o terminal do multímetro. Etapa 5: Determinando a equipotencial (Figura 6) Selecione a escala de 2V - DC. Mantendo a ponta de prova positiva sobre o ponto de referência, procure, com a ponta de prova negativa, pontos que estejam no mesmo potencial dentro da solução, isto é, pontos para os quais a leitura de tensão é 0V. Durante a leitura, os dois eletrodos devem ficar na posição vertical. Pode ser difícil obter leituras exatamente iguais a 0V, portanto, considere pontos para os quais a leitura é menor que 0,1V (em módulo). Marque os pontos encontrados com um lápis. A distância entre eles deve ser de mais ou menos 1cm. Utilizando o mesmo procedimento determine as equipotenciais para 3,6V, 5,4V e 7,2V. 13 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Etapa 6: Transferência para papel Desligue a fonte, retire os eletrodos e retire a placa de registro com os pontos marcados. Seque a placa com cuidado para não apagar os pontos. Transfira esses pontos para uma folha de papel, colocando uma folha sobre a placa e copiando. Não se esqueça de transferir também a posição dos eletrodos. Una os pontos obtidos para cada ponto de referência. Essa linha representa uma equipotencial. Orientações O objetivo deste experimento é permitir o desenvolvimento de um conceito muito difícil de ser explorado experimentalmente: o conceito de campo. Embora este seja um conceito fundamental em física, é quase sempre apresentado de maneira muito formal, sem que os alunos tenham a oportunidade de desenvolver uma "intuição" sobre a realidade dos campos. Montando uma cuba eletrolítica Para a utilização em sala de aula, a cuba eletrolítica deve permitir uma coleta rápida dos dados. O procedimento tradicional de se ler coordenadas sobre um papel milimetrado, e em seguida, transformar estes pontos em uma figura de 14 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT equipotenciais é inadequado para este fim. Portanto, a solução encontrada foi permitir que o desenho das equipotenciais fosse gerado imediatamente na realização do experimento. Os materiais empregados são simples e baratos, todavia o professor deverá testar alguns elementos para garantir um funcionamento adequado. Os elementos essenciais poderão ser construídos pelo próprio professor antes da realização da aula, no entanto, isso também poderá ser feito pelos alunos, mas exigirá maior tempo de aula. A cuba eletrolítica é composta por uma bacia plana com uma solução que permite a condução de corrente elétrica. Nessa solução, mergulhamos eletrodos de material condutor que definem equipotenciais dentro da solução. Com o auxílio de um multímetro, podemos medir o potencial em qualquer ponto da solução, e assim, determinar a estrutura do campo elétrico. 1. A cuba (Figura 2 – Página 12) pode ser qualquer recipiente de material isolante, ou seja, plástico, isopor ou vidro, de fundo plano, com bordas não muito altas e dimensões aproximadas de 30x20cm. Uma alternativa barata e prática são os recipientes de isopor utilizados para frios em supermercados, que podem ser adquiridos em lojas de produtos para embalagens. No fundo desse recipiente, colocamos uma placa de plástico do tipo poliondas (que pode ser recortada de uma pasta velha) com 25x12cm e sobre ela, colamos plástico adesivo branco (papel contact) (Figura 7). Este adesivo deve ser do tipo que permite marcação com lápis ou grafite e que pode ser apagado com borracha. Na descrição, chamamos esta placa de placa de registro, pois é sobre ela que serão registradas as equipotenciais. O plástico poliondas tende a flutuar, por isso é necessário usar alguma forma de peso para manté-lo no fundo. Esses pesos deverão ser de material isolante e não solúvel e não devem ficar na área onde se pretende realizar as medidas. 15 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT 2. Os eletrodos (Figura 8) podem ser obtidos a partir de latas de refrigerante. Com uma tesoura comum, corta-se tiras com 8x3cm. Essas tiras podem ser fixadas em pedaços de borracha (de apagar traços a lápis) com cola rápida e não solúvel em água. Utilize a área interna da lata como superfície ativa dos eletrodos, ou seja, como superfície voltada para a região do campo que queremos medir. 3. A solução eletrolítica empregada é a água de torneira. A condução na água é feita principalmente pelos íons dos sais dissolvidos. Em geral, os sais presentes na água potável garantem a concentração de íons necessária. Podemos ter uma idéia da condutividade da água medindo, com o multímetro, a resistência entre dois pontos afastados 10cm dentro da cuba. Para as condições do experimento esta resistência deve estar abaixo de 1MΩ. Se o valor estive mais alto, basta dissolver uma pitada de sal de cozinha na água. 4. O multímetro eletrônico com impedância de entrada de pelo menos 10MΩ é adequado para as medidas. Esses multímetros são bem baratos e podem ser encontrados em lojas de materiais para construção. As instruções foram escritas para um multímetro com escalas de 2V e 20V em corrente contínua. Se o multímetro usado possuir escalas diferentes, o professor deverá orientar os alunos para usar as escalas adequadas. 5. A fonte de tensão sugerida é uma bateria de 9V, no entanto, podem ser usadas outras alternativas, como pilhas de 6V ou 12V, ou ainda eliminadores de pilhas. Sugerimos a determinação de pelo menos quatro equipotenciais uniformemente distribuídas entre os eletrodos, ou seja, para tensões de 1,8V, 3,6V, 5,4V e 7,2V medidos com relação ao eletrodo negativo. Se a fonte for de tensão diferente de 9V ou se o professor julgar interessante a determinação de 16 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT um número maior de equipotenciais, deverão ser calculadas as tensões adequadas a cada caso. 6. O experimento deve ser executado sobre uma superfície plana, horizontal e firme. Um nível de pedreiro ajuda na determinação da horizontalidade. é importante que o nível da água sobre a placa de registro seja uniforme. Questões relativas ao resultado 1 - Trace pelo menos cinco linhas de força que partam do eletrodo positivo e cheguem ao eletrodo negativo. Para isso, lembre-se que as linhas de força são sempre perpendiculares às equipotenciais. 2 - Estime o campo elétrico (intensidade, direção e sentido) no ponto médio entre os eletrodos. 3 - Calcule a força devida ao campo elétrico que atua sobre um elétron no centro da cuba. Essa força seria diferente em outros pontos? Carga do elétron =1,6 x 10-19C. 4 - Calcule a aceleração que este elétron sofreria se a força elétrica fosse a única que atuasse sobre ele. Massa do elétron = 9,1 x 10-31kg 5 - Qual é o trabalho realizado pela força elétrica sobre um elétron que parte do eletrodo negativo até o momento em que ele atinge o eletrodo positivo? 6 - Qual seria a velocidade com que um elétron atingiria o eletrodo positivo, se ele saísse com velocidade nula do eletrodo negativo e não encontrasse nenhuma resistência pelo caminho? 17 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Questões para reflexão e discussão 1 - O elétron encontra resistência no caminho? Por quê? 2 - Qual seria o efeito sobre o campo elétrico, se invertêssemos a polarização dos eletrodos? Questão Desafio 1 - Como ficaria o campo se colocássemos um anel de material condutor entre as placas paralelas? Respostas Questões relativas ao resultado 2 - Estime o campo elétrico (intensidade, direção e sentido) no ponto médio entre os eletrodos. Resposta: O campo é tangente às linhas de força. Assim, o campo será perpendicular às placas, apontando na direção da placa negativa. Sua intensidade pode ser calculada através da equação: 18 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT onde d é a distância entre as duas equipotenciais em volta do ponto, cujos potenciais são VA e VB. (E ≈ 0,9 N/C) 3 - Calcule a força devida ao campo elétrico que atua sobre um elétron no centro da cuba. Essa força seria diferente em outros pontos? Carga do elétron =1,6 x 10-19C. Resposta: Basta aplicar a definição de campo elétrico para obter F ≈ 1,4 x 10-19N. Na região entre as placas, o campo é uniforme e a força seria a mesma em todos os pontos dessa região. 4 - Calcule a aceleração que esse elétron sofreria se a força elétrica fosse a única que atuasse sobre ele. Massa do elétron =9,1 x 10-31kg Resposta: Da segunda lei de Newton a ≈ 1.5 x 1011m/s2 ! 5 - Qual é o trabalho realizado pela força elétrica sobre um elétron que parte do eletrodo negativo até o momento em que ele atinge o eletrodo positivo? Resposta: O trabalho realizado é simplesmente . Para uma diferença de potencial de 9V, o trabalho sobre um elétron é 1,44 x 10-18J 6 - Qual seria a velocidade com que um elétron atingiria o eletrodo positivo, se ele saísse com velocidade nula do eletrodo negativo e não encontrasse nenhuma resistência pelo caminho? Resposta: Se o elétron não encontrasse nenhuma resistência no caminho, todo o trabalho realizado pelo campo elétrico seria convertido em energia cinética. Logo, a velocidade final seria de 1,8 x 106m/s. 19 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Questões para reflexão e discussão 1- O elétron encontra resistência no caminho? Por quê? Resposta: Sim, no percurso entre os eletrodos, os elétrons sofrem inúmeras colisões com os átomos e moléculas da solução para a qual transferem a maior parte da energia que recebem do campo elétrico. 2-Qual seria o efeito sobre o campo elétrico, se invertêssemos a polarização dos eletrodos? Questão Desafio 1 - Como ficaria o campo se colocássemos um anel de material condutor entre as placas paralelas? Resposta: Dentro do anel, o campo é nulo e o campo externo se deforma para acomodar uma equipotencial sobre o anel. Esta é uma demonstração do funcionamento da gaiola de Faraday. Resposta A forma do campo não seria alterada, apenas a sua direção é que seria invertida. Sugestão de Interface com outras disciplinas Biologia: Condução de sinais entre neurônios (sinapse) e separação de proteínas com a utilização de eletroforese. Química: Ligação iônica e Eletrólise. 20 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Informações Adicionais Sugestão de atividades: A descrição do experimento considera o campo entre duas placas paralelas. Este é o exemplo mais simples, mas também o menos interessante. O professor pode procurar outras configurações para explorar aspectos diversos do campo elétrico. Antes de cada experimento é interessante que os alunos façam uma previsão sobre como acham que o campo elétrico será. Veja algumas sugestões: a) Duas cargas (quase) Pontuais 21 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT b) Gaiola de Faraday c) Uma carga próxima da terra 22 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT d) Duas cargas iguais Links relacionados: Cuba Eletrolítica - Mapeando Campos Elétricos http://www.cdcc.usp.br/exper/medio/fisica/kit8_eletricidade_cuba_eletrol itica/cubaeletrolitica.pdf Hóquei em campo elétrico http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/simulacoes/eletr omagnetismo/hoquei_em_campo_eletrico Pinça Ótica http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/simulacoes/optic a/pinca_optica Campo elétrico em dipolo http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/videos/eletroma gnetismo/campo_eletrico_em_um_dipolo 23 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Créditos Projeto Acessa Física Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e Tecnologia de Formação a Distância Coordenadores de Conteúdo Prof. Dietrich Schiel Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas Coordenador Pedagógico Hamilton Silva Autores, Co-autores e Prof. Antonio Carlos de Castro Professores Convidados Prof. Carlos Alfredo Argüello Prof. Carolina Rodrigues de Souza Prof. Iria Muller Guerrini Prof. Marco Aurélio Pilleggi Prof. Sergio Henrique de Souza Motta Criação de Linguagem Cao Hamburger Editora de vídeo Daniela Cacuso Bellarde dos Santos Ilustrador Matheus Augusto Alves Tognetti Locutor Julio Peronti Programadores Nilton Jorge Borges Priscila Mascarenhas Luporini Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e Cultural – USP IEA - Instituto de Estudos Avançados São Carlos – USP Projeto financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT Ministério da Ciência e Tecnologia 24 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT Creative Commons - Atribuição 2.5 Brasil Você pode: Copiar, distribuir, exibir e executar a obra Criar obras derivadas Sob as seguintes condições: Atribuição. Você deve dar crédito ao autor original, da forma especificada pelo autor ou licenciante. Para cada novo uso ou distribuição, você deve deixar claro para outros os termos da licença desta obra. Qualquer uma destas condições pode ser renunciada, desde que você obtenha permissão do autor. Nada nesta licença prejudica ou restringe os direitos morais do autor. 25 Cuba Eletrolítica – Versão 1.1 IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 16 de junho 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia - Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT
