CUBA ELETROSTÁTICA: CARGA, CAMPO E POTENCIAL ELÉTRICO

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Duas partículas carregadas exercem forças uma sobre a outra, se ambas possuírem o mesmo sinal elas se repelem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a afastá-las. Caso tenham sinais opostos elas se atraem, as forças tendem a aproximá-las.

Figura 1

[pic 1]

Fonte: Halliday Vol3. Edição 8, pág 6.

A força de repulsão ou atração associada à carga elétrica de um corpo é chamada de força eletrostática. A lei de Coulomb, em homenagem ao cientista Charles Augustin de Coulomb, permite calcular essa força. Onde a força entre duas partículas é dada pela seguinte equação.

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Onde .[pic 3]

Nessa equação o k é uma constante e vale sua unidade é (N.m2/C), q1 e q2 são as cargas envolvidas, tem módulo 1 e é adimensional, sua função é indicar a orientação no espaço, r é a distância entre as duas cargas e o sentido da força F é determinado pela regra de que se as cargas são de mesmo sinal, a força é de repulsão, caso contrário será de atração. Todas unidades estão no SI.[pic 4]

4.3 Campo Elétrico

O campo elétrico é um campo vetorial constituído por uma distribuição de vetores no espaço, um para cada região em torno de um objeto eletricamente carregado. Utilizando uma carga de prova q0, medimos a força que age sobre ela e definimos o campo elétrico como sendo.[pic 5][pic 6]

[pic 7]

A orientação do campo elétrico é a mesma da força que age sobre a carga de prova, porém o campo elétrico existe independentemente da carga de prova e sua unidade no SI é Newton por Coulomb (N/C).

4.4 Linhas de Campo Elétrico

A relação entre linhas de campo e vetores do campo elétrico é que a orientação da linha de campo retilínea em um ponto, ou a orientação da tangente a uma linha de campo não-retilínea em um ponto é a orientação do campo elétrico no mesmo ponto. As linhas de campo devem ser desenhadas de forma que a quantidade por área seja proporcional ao módulo do vetor campo elétrico naquele ponto. Logo, tem valores mais elevados em regiões com maior densidade de linhas de campo, ou seja, elas estão mais próximas, e tem valores menores em regiões em que as linhas de campo estão mais afastadas.[pic 8]

Tomando como exemplo uma esfera carregada negativamente, as linhas de campos dessa esfera apontam para o centro.

Figura 2

[pic 9]

Fonte: Halliday Vol3. Edição 8, pág 6.

Caso a esfera estivesse carregada positivamente as linhas de campos estariam apontando para longe da esfera, assim como os vetores campo elétrico.

4.5 Potencial Elétrico

A energia potencial por unidade de carga de um ponto no espaço é chamada de potencial elétrico, e representada pela letra V. Ela possui um valor único em cada ponto do espaço.

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A diferença de potencial elétrico entre dois pontos i e f é a diferença entre o potencial elétrico dos dois pontos.[pic 11]

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Onde são os deslocamentos infinitesimais do percurso.[pic 13]

O potencial Va de ponto distante r de uma carga puntiforme Q, é expresso como sendo.

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4.6 Superfícies Equipotenciais

Pontos vizinhos que possuem um mesmo potencial elétrico formam uma superfície equipotencial, que pode ser uma superfície imaginária ou real. Suas linhas de força são perpendiculares à superfície e o vetor campo elétrico num ponto de uma superfície equipotencial é sempre tangente à linha de campo, seu sentido coincide com a orientação da linha de campo.

5 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

5.1 Campo Uniforme

Conecte os eletrodos circulares nas extremidades da cuba, em seguida posicione uma folha de papel milimetrado abaixo da cuba, tal que os eletrodos estejam paralelos às linhas demarcadas. Conecte os terminais dos eletrodos aos terminais da fonte de tensão, então desenhe em uma segunda folha de papel milimetrado um esquema em escala 1:1 da montagem, com atenção na posição relativa, comprimento e espessura dos eletrodos.

Coloque água, não destilada, na cuba até fechar contato entre os eletrodos, em seguida conecte a ponta de prova do multímetro indicada por “COM” em contato com o eletrodo que estiver ligado ao negativo da fonte. Ligue o multímetro na escala de 200 Vcc. Ligue o voltímetro e meça a ddp entre os terminais, registrando esse valor.

O primeiro ponto de medida, ponto de referência do potencial, deve estar sobre uma reta perpendicular à reta que passa pelo centro dos dois eletrodos, precisamente no centro. O valor obtido para este potencial deve ser anotado. Este ponto dará origem a primeira superfície equipotencial, para isso os demais pontos devem ser encontrados de forma a terem o mesmo potencial do primeiro. As demais superfícies equipotenciais serão construídas de forma análoga.

Os pontos experimentais devem ser anotados no papel milimetrado externo, a fim de construir as superfícies equipotenciais. Escolha as superfícies com 0V, 2V, 3V 5V e 6V, em seguida para cada superfície equipotencial marque 5 pontos coordenados.

5.2 Procedimento após coleta dos dados experimentais

Ligue por uma curva média, no papel externo, os pontos com mesmo potencial, em seguida desenhe um conjunto de linhas ortogonais, tracejadas para diferenciar das equipotenciais, às equipotenciais. Por fim desenhe vetores de campo elétrico, colineares com as linhas tracejadas e anote os valores calculados ao lado do vetor. Esses cálculos devem ser feitos usando a equação para o valor médio do campo elétrico entre duas superfícies equipotenciais a e b. Realize esses cálculos sobre 5 linhas de campo elétrico desenhadas.[pic 15]

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES

A partir da medição da tensão, foram