Laboratório de Ciências

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1 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 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. 1

2 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. Um balanço cuja haste A B horizontal se move entre 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

3 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. 3

4 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) em série com o balanço e com um ou dois pedaços de grafite como mostra a figura Observe e descreva o comportamento do balanço. 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. Fig. 3 Grafites como obstáculos

5 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, 6- imã, 7- escala, 8- ponteiro. 5

6 Tarefa III: 1. Substitua o balanço pelo amperímetro de bobina girante e os grafites por vários resistores comerciais de eletrônica como mostra a figura Regule o botão da fonte para obter um valor 1.50 V no mostrador da direita. 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 Não se esqueça de anotar suas observações e conclusões no caderno de laboratório! 1.50 Fig. 5 Circuito da tarefa 1 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

7 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/s 2 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. 7