Laboratório de Física Experimento 04: Capacitor de Placas Paralelas Disciplina: Laboratório de Física Experimental II Professor: Turma: Data: / /20 Alunos (nomes completos e em ordem alfabética): 1: 2: 3: 4: 5:
2/12 04 Capacitor de Placas Paralelas 1.1. Objetivos Determinar a constante dielétrica do ar e do papel através do gráfico. 1.2. Equipamentos Lista de equipamentos necessários para a realização do relatório Capacitor ajustável de placas paralelas; Capacímetro digital; folhas de papel Chamex recortadas em retângulos de ¼ de folha. 2. Apresentação Um capacitor consiste basicamente de duas peças metálicas isoladas espacialmente. A forma e distribuição espacial destas placas mudam de acordo com as intenções do capacitor, possuindo geralmente formas geométricas simples como placas paralelas, cilíndricas e esféricas, além de outras formas menos simétricas como uma fração de disco, muito utilizadas em capacitores variáveis, Figura 1. (a) (b) Figura 1: Capacitores comerciais: (a) Capacitor Variável; (b) Capacitores Eletrolíticos; (c) Capacitores de Placas Paralelas. Um capacitor, independente do tipo, tem como função básica armazenar energia elétrica no campo gerado pelo acúmulo de cargas em suas placas. A razão entre esta carga nas placas e a tensão necessária para deslocá-las é definida como capacitância: a qual depende exclusivamente de características geométricas do capacitor, como a área das placas, separação entre elas, forma e o material dielétrico empregado como isolante. Para o capacitor de placas paralelas, sua capacitância pode ser facilmente demonstrada como: (c) (1)
3/12 (2) onde, permissividade elétrica do vácuo; área das placas; distância entre as placas; a contante dielétrica do meio. Neste experimento será explorado Figura 2: Capacitor de Placas Paralelas Cidepe Os valores das constantes dielétricas para o ar e o papel são apresentados na Tabela 1. 3. Experimento Neste experimento será empregado um capacitor de placas paralelas como o ilustrado na Figura 2, composto de duas placas metálicas circulares, sendo uma móvel e outra fixada ao corpo do equipamento. Aproveitando que o equipamento ainda não foi ligado, com o auxílio de um paquímetro, meça o diâmetro da placa móvel: : ± (mm) Antes de sua execução, proceda com a calibração a seguir. 3.1. Cuidados com o Capacímetro Durante todo o experimento nunca permita que os terminais do Capacímetro entrem em curto, pois isto pode danificar o equipamento. 3.2. Calibração do Capacímetro Antes de iniciar o experimento, execute o processo de calibração a seguir: Inicialmente monte o capacitor de placas paralelas com a placa móvel o mais distante possível da placa fixa e de preferência ortogonal a esta, como ilustrado
4/12 na Figura 3; Coloque o capacímetro na escala de e em seguida o conecte aos terminais metálicos, traseiros das placas do capacitor; Em seguida gire o botão de ajuste, indicado na Figura 3, para zera a capacitância medida no capacímetro; Figura 3: Capacitor de Placas Paralelas Feito isto, posicione a placa móvel sobre a base do capacitor, Figura 4, e desconecte o capacímetro um dos terminais do capacímetro; Em seguida mova a placa móvel até está encostar na placa fixa; Neste momento verifique se o traço na placa móvel encontra com o zero na escala milimetrada, fixada à base do capacitor; Caso estes não estejam alinhados, ajuste sua posição liberando o parafuso na parte inferior do capacitor, ou chame o seu professor; Após isto separe as placas e reconecte o terminal do capacímetro. Figura 4:Montagem Experimental para realização da medida. Com isso, o experimento está pronto para iniciar.
5/12 3.3. Ar como Dielétrico Neste primeiro experimento será medida a capacitância em função da separação entre as placas utilizando como dielétrico o ar. Inicialmente posicione a placa móvel na posição e religue o capacímetro; Em seguida mova a placa móvel, afastando da fixa, em intervalos de e preencha a Tabela 1, abaixo. # # 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 1: Capacitância em função da separação das placas para dielétrico Ar. 3.4. Papel como Dielétrico Neste segundo experimento será feito o mesmo tipo de medida anterior, no entanto, neste momento será empregado papel como dielétrico para o capacitor. Inicialmente separe as folhas em grupos de vinte folhas; Em seguida coloque o primeiro grupo de folhas de papel entre as placas do capacitor. Segure as placas com a mão e pressione uma contra a outra, comprimento as folhas entre elas, Figura 5-a. (ATENÇÃO: Não pressione as placas pela base do Capacitor); Fixe a base móvel pelo parafuso de fixação, se existir. Em seguida retire as mão das placas, Figura 5-b, e se afaste do equipamento para realizar a medida. Aguarde até que o capacímetro estabilize para fazer a leitura, preenchendo os dados na Tabela 2; # # 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 2: Capacitância em função da separação das placas para dielétrico Papel. A seguir adicione mais um grupo de folhas e repita o procedimento. A quantidade de folhas pode ser ajustado para se conseguir uma separação desejada, se achar conveniente.
6/12 (a) Figura 5: Operação do Capacitor de Placas Paralelas (b) Obs: a capacitância medida é muito sensível a proximidade de outros corpos às placas do capacitor. Por isto mantenha-se afastado do experimento durante as medidas. 4. Resultados: Capacitor de Placas Paralelas Complete a Tabela 3 com os coeficientes, em, calculados a partir das medidas da Tabela 1. # [ ] # [ ] 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 3: Capacitor de Placas Paralelas com Ar Repita o processo para a Tabela 4, com os coeficientes calculados a partir das medidas da Tabela 2. # [ ] # [ ] 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 4: Capacitor de Placas Paralelas com Papel A capacitância da equação (2) pode ser escrita na forma que, se chamado o termo entre colchetes de, podemos escrever a equação (3) na forma de uma equação de uma reta (3) (4)
7/12 onde, a constante dielétrica, é a inclinação desta reta em um gráfico. Em seguida faça os gráficos com estes pontos nas páginas milimetradas a seguir. As constantes dielétricas devem ser determinadas através dos gráficos e, em seguida, copiados para a Tabela 5, abaixo. Ar Papel Tabela 5: Comparação entre as constantes dielétricas
8/12 Figura 6: Capacitor de Placas Paralelas com Ar
9/12 Figura 7: Capacitor de Placas Paralelas com Papel
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11/12 5. Experimento 04 Capacitor de Placas Paralelas Professor: Turma: Data: / /20 Alunos: 1: 2: 3: 4: 5: 5.1. Dados Experimentais Copie os dados das tabelas anteriores para as tabelas a seguir. Contantes Dielétricas de diferentes meios Diâmetro da placa móvel: Meio Vácuo Ar Papel Água ( ) 1,00000 1,00054 3,5 78,5 Tabela 1: Constantes dielétricas de diferentes meios. : ± (mm) Medidas da Capacitância em função da distância das placas com o ar como dielétrico: # # 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 2: Capacitância em função da separação das placas para dielétrico Ar. Capacitância pela separação das placas, com o papel como dielétrico.
12/12 # # 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 Tabela 3: Capacitância em função da separação das placas para dielétrico Papel. 6. Equações e Expressões Relevantes Nesta seção, são apresentados as expressões, equações e definições necessárias para o desenvolvimento do experimento. O Formulário aponta as equações e definições essenciais para o desenvolvimento das expressões na Composição, enquanto que este último apresenta as expressões finais, geralmente, para a resolução do problema apresentado no experimento. 6.1. Formulário Capacitância de um capacitor de Placas Paralelas. (5) Para os cálculos utilize o, em pico. 6.2. Composição (6) Capacitância de um capacitor de placas paralelas circulares, de diâmetro ; equação de ajuste a uma reta para a equação (6), onde b deve ser próximo de zero. (7)