FÍSICA EXPERIMENTAL C EXPERIÊNCIA 1 CARGA ELÉTRICA 1. MATERIAIS Papel toalha. Folha de papel. Folha de papel alumínio. Barra de polipropileno (cor cinza). Barra de acrílico (transparente). Placa de policarbonato. Filme plástico (transparente). Lâmpada de néon. Clipe com barbante. Suporte metálico. Ponteiro metálico. Par de pêndulos metálicos ligados por um barbante. Placa de indução. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Experiências de eletrização dependem fortemente das condições atmosféricas do dia. Certifique-se que o ambiente esteja com baixa umidade. Caso o ar condicionado do laboratório não esteja ligado, peça ao professor que o faça. Além disso, procure fazer este experimento com a lâmpada da luminária acesa, pois o calor proveniente dela ajuda a manter o ambiente seco. 2.1. Carga Elétrica e o Eletroscópio 2.1.1. Efeito da eletrização em barras isolantes sobre uma lâmpada de néon Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Segure a barra de polipropileno (de cor cinza) firmemente por uma de suas extremidades. b) Atrite a outra extremidade utilizando papel toalha, friccionando o papel contra a barra através de movimentos de vai-e-vem. c) Segure o tubo de néon por uma de suas partes metálicas e encoste a outra parte metálica na extremidade da barra que foi atritada com o papel toalha, conforme mostrado na Figura 1. d) Observe o que acontece internamente com a lâmpada de néon. Escreva o resultado de sua e) Repita os mesmos procedimentos descritos acima com a outra extremidade da lâmpada de néon. f) Repita os mesmos procedimentos descritos acima para diferentes condições de atrito. g) Execute os mesmos procedimentos descritos acima, usando agora a barra de acrílico
(transparente). Figura 1: Efeito da eletrização por atrito em uma lâmpada de néon. 2.1.2. Efeito da eletrização em placas e filmes isolantes sobre uma lâmpada néon Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Coloque a placa de policarbonato sobre a mesa com o filme transparente sobre ela. b) Atrite firmemente o filme com o papel toalha. c) Eleve o conjunto placa de policarbonato + filme cerca de 30 cm da mesa. d) Separe o filme da placa de policarbonato, conforme mostra a Figura 2. Figura 2: Eletrização por atrito entre duas superfícies isolantes. e) Observe o que acontece à medida que o filme se separa da placa. Escreva o resultado de sua f) Após a total separação entre o filme transparente e a placa de policarbonato, toque a placa com uma das extremidades metálicas da lâmpada de néon, conforme mostrado na Figura 3. g) Observe o que acontece internamente na lâmpada de néon. Escreva o resultado de sua h) Repita os mesmos procedimentos descritos acima com a outra extremidade da lâmpada de néon. i) Repita os mesmos procedimentos descritos acima para diferentes condições de atrito. j) Repita todos as etapas descritas acima, mas desta vez atrite a placa e o filme separadamente.
Figura 3: Efeito da eletrização em um sistema placa de policarbonato + filme isolante sobre uma lâmpada de néon. 2.1.3. Efeito de placas e filmes isolantes atritados sobre um eletroscópio Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Fixe o clipe na metade da barra de polipropileno. b) Atrite apenas uma metade da barra com o papel toalha. c) Suspenda a barra no suporte metálico como mostra a Figura 4. Cuide para que o lado atritado não toque em qualquer objeto ou pessoa. Por que devemos ter este cuidado? O que acabamos de construir é o que se chama de balança elétrica ou eletroscópio. Este tipo de equipamento permite demonstrar a existência de cargas elétricas em objetos. Isto é feito a partir do comportamento da parte atritada da barra de acordo com a aproximação de objetos que tenham sido carregados. Figura 4: Eletroscópio com barra de polipropileno. d) Coloque a placa de policarbonato sobre a mesa com o filme transparente sobre ela. e) Atrite firmemente o filme com o papel toalha. f) Eleve o conjunto placa de policarbonato + filme cerca de 30 cm da mesa. g) Separe o filme da placa de policarbonato, conforme mostra a Figura 2. h) Aproxime a placa de policarbonato da parte atritada da barra de polipropileno, como
mostra a Figura 5. Figura 5: Comportamento de uma placa atritada aproximando-se de um eletroscópio. i) Observe o que acontece com a barra de polipropileno. Escreva o resultado de sua Considere agora o efeito do filme transparente sobre o eletroscópio. Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Aproxime agora o filme transparente da barra de polipropileno. b) Observe o que acontece com a barra de polipropileno. Escreva o resultado de sua c) Repita os mesmos procedimentos descritos acima para diferentes condições de atrito. d) Repita todos as etapas descritas acima, mas desta vez atrite a placa e o filme separadamente. 2.1.4. Efeito de barras isolantes atritados sobre um eletroscópio Considere agora o efeito de uma outra barra de polipropileno sobre o eletroscópio. Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Atrite agora uma metade da outra barra de polipropileno com o papel toalha. b) Movimente a extremidade atritada desta barra para próximo do eletroscópio, como mostra a Figura 6. Figura 6: Comportamento de uma barra atritada aproximando-se de um eletroscópio. c) Observe o que acontece com o sistema. Escreva o resultado de sua observação em seu
caderno de laboratório. d) Atrite agora uma metade de uma barra de acrílico com o papel toalha. e) Movimente a extremidade atritada desta barra para próximo do eletroscópio, como mostra a Figura 6. f) Observe o que acontece com o sistema. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. 2.1.5. Efeito de barras isolantes atritados sobre um eletroscópio de ponteiro Consideremos agora um outro modelo de eletroscópio. Neste eletroscópio um ponteiro metálico é suspenso no suporte metálico, como mostra a Figura 7. Uma das extremidades do ponteiro metálico é um pouco maior, e, portanto também um pouco mais pesada do que a outra. Esta extremidade mais pesada deve pender para baixo, com o ponteiro ocupando a posição vertical. Como este ponteiro é feito de uma folha metálica muito fina ele pode ser facilmente danificado se não for manuseado adequadamente. Assim, o seu manuseio deve ser feito com extremo cuidado. Figura 7: Eletroscópio com ponteiro metálico. Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Atrite a barra de polipropileno firmemente com o papel toalha. b) Encoste a extremidade atritada no eletroscópio, como mostra a Figura 8. c) Observe o movimento do ponteiro. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. d) Coloque a mão sobre o eletroscópio. e) Observe novamente o comportamento do ponteiro. Escreva o resultado de sua Considere agora o efeito de uma barra de acrílico atritada encostada no eletroscópio. Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Atrite novamente a barra de polipropileno firmemente com o papel toalha. b) Com uma mão sobre o eletroscópio encoste a barra de polipropileno atritada no eletroscópio. c) Na seqüência, atrite a barra de acrílico e, do mesmo modo, encoste-a sobre o
eletroscópio. Figura 8: Comportamento de uma barra atritada encostada em um eletroscópio de ponteiro. d) Observe o que acontece com o ponteiro do eletroscópio. Escreva o resultado de sua e) Repita várias vezes este último procedimento para a barra de acrílico, sempre observando o que acontece com o ponteiro do eletroscópio. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. 2.1.6. Efeito de placas e filmes isolantes atritados sobre um eletroscópio de ponteiro Consideremos agora o efeito do sistema placa de policarbonato + filme transparente sobre o eletroscópio de ponteiro. Antes de realizar esta parte do experimento, descarregue o eletroscópio, tocando-o com a mão. Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Coloque o filme transparente sobre a placa de policarbonato e atrite-o fortemente com o papel toalha. b) Coloque a placa e o filme sobre o eletroscópio, sem separá-los, tal que o filme fique sempre sobre a placa, como mostra a Figura 9. Figura 9: Comportamento de um sistema placa de policarbonato + filme transparente atritados encostados em um eletroscópio de ponteiro.
c) Retire apenas o filme e observe o comportamento do ponteiro. Escreva o resultado de sua d) Repita este experimento, invertendo as posições do filme transparente e da placa de policarbonato. Escreva o resultado de sua 2.2. Comportamento Elétrico de Diferentes Materiais 2.2.1. Efeito de barras isolantes atritados sobre diferentes materiais Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Rasgue alguns pedaços de papel não muito grandes, de forma que eles não fiquem muito pesados, e coloque-os sobre a bancada. b) Carregue a barra de polipropileno, atritando-a fortemente com o papel toalha. c) Mova a barra de polipropileno na direção dos pedaços de papel sobre a bancada, como mostra a Figura 10. Figura 10: Efeito de uma barra atritada sobre pedaços de papel. d) Observe o que acontece com os pedaços de papel. Escreva o resultado de sua e) Repita este procedimento para pedaços de papel de diferentes massas. f) Utilize a folha de papel alumínio para construir uma bolinha. Tenha o cuidado de, ao confeccionar tal bolinha, ela não fique muito achatada, isto é, construa-a tal que ela fique a mais esférica possível. g) Aproxime novamente a barra de polipropileno atritada desta bolinha feita com papel alumínio. h) Observe o que acontece com a bolinha de papel alumínio. Escreva o resultado de sua i) Repita este procedimento para bolinhas de papel alumínio de diferentes massas. j) Repita todo o procedimento anterior, agora com a barra de acrílico. 2.2.2. Efeito de placas e filmes isolantes atritados sobre diferentes materiais Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Carregue o filme transparente, atritando-a fortemente com o papel toalha. b) Segure o filme atritado acima dos pedaços de papéis utilizados no experimento anterior. c) Observe o que acontece com os pedaços de papel. Escreva o resultado de sua d) Repita e) este procedimento para pedaços de papel de diferentes massas. e) Segure o filme atritado acima da bolinha de papel alumínio utilizada no experimento anterior. f) Observe o que acontece com a bolinha de papel alumínio. Escreva o resultado de sua
11. g) Repita este procedimento para bolinhas de papel alumínio de diferentes massas. 2.2.3. Efeito de barras isolantes atritados sobre o par de pêndulos Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Pendure o par de pêndulos usando a fenda do eletroscópio, como mostrado na Figura Figura 11: Efeito de uma barra atritada sobre um sistema de pêndulos no eletroscópio. b) Carregue a barra de polipropileno, atritando-a fortemente com o papel toalha. c) Mova a barra de polipropileno na direção do pêndulo colocado na parte inferior do eletroscópio, como mostra a Figura 11. Leve a barra tão perto do eletroscópio que ela chegue a tocar a extremidade inferior do pêndulo pendurado. d) Observe o que acontece com os pêndulos. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. e) Posicione os pêndulos metálicos como mostrado na Figura 12. Descarregue os pêndulos, tocando-os com uma das mãos. f) Mova a barra de polipropileno atritada na direção dos pêndulos pendurados, aproximando-se por baixo deles, como mostra a Figura 12. Figura 12: Efeito de uma barra atritada sobre um sistema de pêndulos simétricos.
g) Observe o que acontece com os pêndulos. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. h) Repita todo o procedimento anterior, agora com a barra de acrílico. 2.2.4. Efeito da placa de indução sobre o eletroscópio Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Fixe o clipe no ponto médio da barra de polipropileno. b) Carregue uma das metades desta barra de polipropileno, atritando-as com papel toalha. c) Coloque a barra no eletroscópio, cuidando para que a mesma fique na posição horizontal, como mostra a Figura 13. Figura 13: Efeito de uma placa de indução sobre o eletroscópio. d) Fixe a placa de indução na outra barra de polipropileno, como mostra a Figura 13. e) Mova a placa de indução na direção da extremidade não carregada da barra suspensa. Tenha cuidado para que não ocorra o contato entre a placa de indução e a barra suspensa. f) Observe o que acontece com a barra suspensa. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. g) Na seqüência, mova a placa de indução na direção da extremidade carregada da barra suspensa. h) Observe o que acontece com a barra suspensa. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. 2.2.5. Efeito de barras isolantes atritadas sobre o eletroscópio de ponteiro Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Monte o eletroscópio de acordo com o mostrado na Figura 14. Garanta que o eletroscópio esteja descarregado, tocando-o com a mão. b) Atrite a barra de polipropileno firmemente com o papel toalha e mova a extremidade atritada na direção do ponteiro, na posição A da Figura 14. Tome cuidado para que não ocorra o contato entre a barra de polipropileno e o ponteiro. c) Observe o que acontece com o ponteiro. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório.
d) Mova agora a extremidade atritada na direção superior do eletroscópio, na posição C da Figura 14. Tome cuidado para que não ocorra o contato entre a barra de polipropileno e o ponteiro. Figura 14: Eletroscópio de ponteiro. e) Observe o que acontece com o ponteiro. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. f) Repita todo o procedimento anterior, agora com a barra de acrílico. 2.2.6. Efeito da placa de policarbonato atritada sobre o eletroscópio de ponteiro Para esta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Carregue a placa de policarbonato, atritando-o com o papel toalha. b) Mantenha-o na posição horizontal e aproxime-o do eletroscópio na sua parte superior (posição C da Figura 5), até que o ponteiro sofra uma deflexão de cerca de 20. c) A seguir, toque a parte inferior do eletroscópio com a mão (posição B da Figura 5). d) Na seqüência, afaste a mão da parte inferior do eletroscópio e a placa de policarbonato da parte superior do eletroscópio. e) Observe o que acontece com o ponteiro. Escreva o resultado de sua observação em seu caderno de laboratório. 3. TRATAMENTO DOS DADOS Esta experiência é totalmente qualitativa, isto é, não são feitas medidas experimentais, mas apenas observações fenomenológicas. Desta forma, o tratamento dos dados diz respeito à descrição dos fenômenos observados. 3.1. Carga Elétrica e o Eletroscópio 3.1.1. Descrição dos fenômenos observados Nesta parte do experimento foi feita uma série de observações para identificar a existência de cargas elétricas. Observa-se, na verdade, o efeito de cargas elétricas sobre a matéria. Espera-se que estas observações sejam descritas na seção Resultados de seu relatório. Assim, no experimento com o tubo de néon, descreva com suas palavras tudo aquilo que foi observado. Descreva eventuais diferenças ao se mudar a polaridade do tubo, ao se mudar da barra de polipropileno para a barra de acrílico e ao se atritar menos ou mais estas barras. Descreva também as diferenças que ocorrem no tubo de néon ao se utilizar o sistema placa de policarbonato + filme transparente, nas condições pedidas no experimento.
O mesmo tipo de descrição deve ser feito ao se analisar o efeito da placa de policarbonato e do filme transparente sobre o primeiro eletroscópio construído. Esta análise deve ser repetida no experimento onde se utiliza barras atritadas e este eletroscópio. Por fim, todo este procedimento deve ser o mesmo para a descrição dos efeitos da placa de policarbonato, filme transparente e barras isolantes sobre o eletroscópio de ponteiro. Uma comparação entre estes três instrumentos (tubo de néon, eletroscópio de barra e eletroscópio de ponteiro) deve ser feita ao final desta descrição. É interessante indicar em qual destes instrumentos o efeito das cargas elétricas é mais evidente, com uma justificativa adequada. 3.2. Comportamento Elétrico de Diferentes Materiais 3.2.1. Descrição dos fenômenos observados Nesta parte do experimento foi feita uma série de observações para identificar o efeito de cargas elétricas sobre diferentes materiais. Observa-se, novamente, o efeito de cargas elétricas sobre a matéria. Espera-se que estas observações sejam descritas na seção Resultados de seu relatório. Assim, no experimento com pedaços de papel e a bolinha de papel alumínio, descreva com suas palavras tudo aquilo que foi observado. Observe eventuais diferenças ao se pedaços de papel com diferentes massas e diferentes massas das bolinhas de papel alumínio. Descreva também as eventuais diferenças ao se mudar das barras atritadas para o sistema placa de policarbonato + filme transparente. Descreva também o efeito de se atritar menos ou mais estas barras e o sistema placa de policarbonato + filme transparente. O mesmo tipo de descrição deve ser feito ao se analisar o efeito das barras de polipropileno e acrílico sobre os pêndulos. Descreva em detalhes as eventuais diferenças observadas quando se utiliza cada uma das barras. Descreva também as eventuais diferenças observadas com os pêndulos colocados nas duas posições indicadas. Também, o mesmo tipo de descrição deve ser feito ao se analisar o efeito da placa de indução sobre o eletroscópio construído com a barra de polipropileno. Descreva as diferenças observadas ao aproximar a placa de indução em cada uma das extremidades da barra suspensa. Por fim, o mesmo tipo de descrição deve ser feito ao se analisar o efeito tanto das barras isolantes (polipropileno e acrílico) quanto do filme de policarbonato sobre o eletroscópio de ponteiro. Descreva as eventuais diferenças observadas quando se aproxima estes materiais (cada um a sua vez) dos pontos B e C do eletroscópio. Uma comparação entre estes os materiais envolvidos nesta parte do experimento deve ser feita ao final desta descrição. É interessante indicar como responde cada tipo de material à presença de cargas elétricas. 4. DISCUSSÃO Na seção Discussão dos Resultados procure fazer uma análise dos resultados obtidos. Discuta os resultados frente às expectativas oriundas do modelo teórico considerado. 4.1. Carga Elétrica e o Eletroscópio 4.1.1. Discussão dos fenômenos observados No experimento com o tubo de néon, elabore uma justificativa que explique os fenômenos observados a partir do conceito de carga elétrica. Discuta, a partir dos fenômenos observados, como é possível concluir que existem na natureza dois tipos de carga elétrica. Discuta especificamente os efeitos sobre o tubo de néon do carregamento do sistema placa de policarbonato + filme transparente quando atritados em contato. Discuta as diferenças observadas nos experimentos no tipo de carga existente no sistema placa de policarbonato + filme transparente quando individualmente atritados comparado com o caso em que foram atritados em contato.
Justifique todas as afirmações feitas. Elabore o mesmo tipo de discussão em relação às observações feitas com os dois tipos de eletroscópio (com a barra de polipropileno e com o ponteiro). Também, compare os resultados obtidos para o sistema placa de policarbonato + filme transparente, usando o tubo de néon e os eletroscópios. Por fim, a partir das observações feitas no experimento, discuta o funcionamento do eletroscópio. 4.2. Carga Elétrica e o Eletroscópio 4.2.1. Discussão dos fenômenos observados No experimento com os pedaços de papel e da bolinha de papel alumínio, compare o comportamento de cada material. Discuta o efeito da massa de cada um destes sistemas sobre o resultado do experimento. Explique razões para a diferença de comportamento entre estes dois tipos de material. Discuta as semelhanças e diferenças (se houverem) entre atritar as barras isolantes e o sistema placa de policarbonato + filme transparente sobre os pedaços de papel e da bolinha de papel alumínio. No experimento com o par de pêndulos, explique o comportamento deste sistema antes e após o contato. Discuta especificamente o que ocorre no instante do contato. Compare os resultados obtidos com os pêndulos na situação alinhada e na situação simétrica. No experimento com a placa de indução, explique as eventuais semelhanças ou diferenças (se houverem) quando ela foi aproximada da barra de polipropileno pelo lado atritado e pelo lado não atritado. No experimento com o eletroscópio de ponteiro, explique as eventuais semelhanças ou diferenças (se houverem) de se utilizar as barras isolantes atritadas e a placa de policarbonato atritada. Discuta particularmente o fato da deflexão do ponteiro crescer quando o mesmo é tocado com a mão. 5. CONCLUSÃO Na seção Conclusão, faça uma análise do seu trabalho no laboratório frente aos objetivos propostos no experimento. 6. QUESTIONÁRIO Nos anexos de seu relatório responda ao seguinte questionário: 1) Roupas tendem a se aglutinar depois que passam por uma secadora de roupas. Explique por que isto acontece. Discuta em qual situação você espera que a aglutinação após a secagem seja maior: roupas feitas com o mesmo material (por exemplo, o algodão) ou roupas feitas com materiais diferentes (por exemplo, uma mistura de algodão com poliéster). Justifique a sua resposta. 2) quando uma pessoa caminha sobre um tapete de náilon e a seguir toca em um objeto metálico grande (por exemplo, uma maçaneta de porta) pode ocorrer uma faísca e a pessoa sentirá um choque. Discuta a razão pela qual em um dia seco existe maior probabilidade disto ocorrer do que em um dia úmido. Discuta também por que quando a pessoa toca um objeto metálico pequeno (por exemplo, um clipe de prender papel) a probabilidade de ocorrer um choque é menor. 7. BIBLIOGRAFIA 7.1. HALLIDAY, D. e RESNICK, R. Fundamentos da Física Volume 3 4 a Edição; Capítulo 23 (Carga Elétrica); Livros Técnicos e Científicos Editora S.A 1998. 7.2. NUSSENZVEIG, H.M. Curso de Física Básica Volume 3 1 a Edição; Capítulo 2 (A
Lei de Coulomb); Editora Edgard Blücher 2000. 7.3. SEARS, F. S.; ZEMANSKI, M. W.; YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física III (Eletromagnetismo) 1 a Edição Capítulo 22 (Carga Elétrica e Campo Elétrico) Addison Wesley 2004. 7.4. VÁRIOS Apostila de Física Experimental Setor de Cópias do CCT-UDESC.