Caderno de Física 3 - pucminas PDF

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Caderno de lab fisica 3 puc minas...

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Caderno de Ativid Atividades ades de L Laboratór aboratór aboratório io

FÍSICA G GERAL ERAL 3 ELETROMAGNE ELETROMAGNETISMO TISMO

DFQ – Departamento d de e Física e Qu Química ímica Belo Horizon Horizonte, te, 1º semestre de 2020

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Índice Critérios de av avaliação aliação da discip disciplina lina ................................................ .............................................................................. .............................. 3

Medidas Elétricas..... Elétricas........................................... ...................................... .................................................................... .............................. ..................................................................... ....................................... .......................................... ... 5 Gerador Van de Graa Graaff ff ......................................... ..................................................................... ............................ ....................................................... ........................... ............................. .. 10 Mapeamento de Campos Elétrcos....... Elétrcos................................. .......................... ..................................................... ........................... ............................................ ................. 17 Corrente Elétricas nos Condutores Metálicos... Metálicos........ ..................................... 21 Variação da Resistência Elétrica co m a Temperatura..................... 2 24 4 Dispositivos ôhmicos e não Ôhmicos Ôhmicos................................. ................................. ............................................................. ............................ .................................. ...... 29 Circuitos Com Resistores e em m Série e Paralelo........ Paralelo............................................ .................................... ...................................... .. 34 Carga e Descarga de um Capacitor................ Capacitor...................................... ...................... ................................................ .......................... ............................... ..... 39 Características de uma Fonte de Força Eletromotriz Eletromotriz................. ................. .................... ... 43 Máxima Transferência de Potência...... Potência........................................ .................................. ............................................................. ........................... ............................. 47 Determinação do Campo Magnético da Terra ....................... ..................... ...................................... ................. 50 Indução Eletromagnética....... Eletromagnética............................................... ........................................ ..................................................................... ............................. ............................................ ............... 54 Indutância de uma Bobina......... Bobina............................................ ................................... ................................................................ ............................. ............................................... .................. 61 Circuito RLC Série em Corrente Alternada - soma de tensões . 65 Circuito RLC Série em Corrente Alternada - Ressonância .......... 68 Uso do osciloscópio................ osciloscópio..................................... ..................... ............................................................... .......................................... .................................................................... .......................... ............................. ... 71 ANEXO I: ORIENTAÇÕES GERAIS P PARA ARA REDAÇÃO DOS RELATÓRIOS TÉCNICOS............... TÉCNICOS.................................................... ..................................... .................................................................. ............................. ......................................................... ............................ ......................................................... ............................. 75 Referências Bibliográficas ............................................... ............................................. .......................................................................... ............................. ............................................. ................ 79

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CRITÉRIOS DE A AV VALI ALIAÇÃO AÇÃO DA D DISCIPLINA ISCIPLINA Os critérios de avaliação das atividades realizadas nas disciplinas Laboratório de Física Geral I, Laboratório de Física Geral II, Laboratório de Física Geral III e Laboratório de Física, ofertadas pelo Departamento de Física e Química nos diversos campi e unidades, são: 1. DISTRIBUIÇÃO DE PONTOS: as disciplinas supracitadas deverão ter a pontuação distribuída em duas provas no valor de 30 (trinta) pontos e 40 (quarenta) pontos em atividades práticas. 2. PROVAS: todas as provas devem ser individuais e com consulta apenas aos relatórios e cadernos de anotações. a. As provas devem conter questões relacionadas às atividades práticas realizadas em laboratório: metodologia, análise de dados, e interpretações teóricas. 3. ATIVIDADES PRÁTICAS: os 40 (quarenta) pontos de atividades práticas devem ser distribuídos conforme a seguir: a. No mínimo 20 (vinte) pontos devem ser distribuídos em relatórios técnicos: i. Devem ser avaliados no mínimo 5 (cinco) relatórios técnicos (individuais); ii. Todos os relatórios técnicos devem seguir o padrão indicado nas “Orientações Gerais” anexadas nos cadernos de roteiros; iii. Cada professor (a) deve expor claramente aos seus alunos, nos primeiros dias de aula, os critérios adotados nas correções de tais relatórios técnicos; iv. Os relatórios devem ser devidamente corrigidos e devolvidos aos alunos na aula seguinte à data da entrega. b. O restante dos pontos pode ser distribuído à critério do(a) professor(a); i. Exemplos: caderno de anotações, vídeos, testes, apresentações e etc.

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1 – Introdução Diferença de potencial e corrente elétrica são duas grandezas fundamentais em eletricidade. A diferença de potencial (ddp), também chamada de tensão elétrica, ou voltagem é definida como a razão entre o trabalho realizado por um campo elétrico sobre uma carga elétrica para desloca-la de um ponto a outro, é medida em VOLTS (V) e o instrumento usado para medi-la é o VOLTÍMETRO. A corrente elétrica, definida como a razão entre a quantidade de carga elétrica que passa por um trecho de circuito divida pelo tempo é uma contagem de cargas no tempo. É medida em AMPÈRES (A) e o instrumento usado para medi-la é o AMPERÍMETRO. Como o voltímetro vai medir uma diferença de potencial entre dois pontos, deve ser colocado em paralelo (Figura 1 (a)) com o componente de circuito, além do mais deve ter uma resistência interna muito grande, para que sua presença não interfira na corrente elétrica naquele trecho. O amperímetro deve ser ligado em série (Figura 1 (b)) no circuito, uma vez que se destina a medir corrente elétrica, que são cargas em deslocamento; essas cargas devem passar por ele também sua resistência interna deve ser muito menor que a do circuito, para não interferir no valor da corrente.

(a)

(b)

Figura 1- Diagrama esquemático mostrando a ligação dos medidores da ddp e da corrente em um componente de um circuito elétrico (a) Voltímetro (V) conectado em paralelo e (b) Amperímetro (A) conectado em série.

As grandezas diferença de potencial (V) e corrente (i) em um componente elétrico estão relacionadas pela lei de Ohm 𝑉 = 𝑅𝑖

(1)

Onde 𝑅 é a resistência elétrica, propriedade do componente que determina o valor da corrente elétrica para uma dada diferença de potencial.

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Galvanômetro D´Arsonval Os medidores elétricos que incorporam medidas de tensão e corrente são chamados de Multímetros. A maioria dos multímetros se baseia no Galvanômetro dispositivo que usa o fato de que uma corrente elétrica 𝑖𝑔 numa bobina condutora, em presença de um campo

magnético (gerado por um imã permanente), resulta num torque sobre a bobina. Num galvanômetro este torque é mostrado como deflexão de um ponteiro, que volta a posição original devido à presença de uma mola.

Figura 1 Diagrama esquemático de um Galvanômetro de d'Arsonval (1882)

Quando uma corrente 𝑖𝑔 circula na bobina, o campo magnético do ímã permanente produz

um torque 𝜏 sobre ela, dado por:

𝜏 = 𝐶𝑛𝐵𝑖𝑔

(2)

Nessa equação, 𝐵 é o campo magnético devido ao ímã permanente e 𝑛 é o número de

espiras da bobina. A constante 𝐶 é um fator que depende de como o galvanômetro foi

construído. O eixo da bobina é solidário a uma mola espiral; quando a bobina gira de um

ângulo 𝜃, a mola produz um torque restaurador oposto ao produzido pelo campo, cujo valor

é 𝐾𝜃. Uma posição de equilíbrio é alcançada quando:

Logo:

𝐾𝜃 = 𝐶𝑛𝐵𝑖𝑔

(3)

𝐶𝑛𝐵 𝑖 𝐾 𝑔

(4)

𝜃=

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O ângulo de deflexão é proporcional a corrente que atravessa o galvanômetro. O instrumento é tanto mais sensível quanto menor for a corrente iG necessária para provocar um dado desvio 𝜃. Assim, os galvanômetros são caracterizados pela corrente necessária

para que o ponteiro atinja deflexão máxima, corrente de fundo de escala, igmax e por sua resistência interna, Rg. Conhecendo estes parâmetros pode-se determinar a tensão de fundo de escala Vg, que é a tensão sobre o galvanômetro quando o ponteiro está na deflexão máxima e é simplesmente o produto da corrente de fundo de escala pela resistência interna. Este tipo de dispositivo é chamado analógico. Atualmente grande parte dos multímetros utilizados em laboratório são digitais. Esses instrumentos funcionam com base na comparação da tensão/corrente com padrões internos.

Voltímetros Os voltímetros analógicos são instrumentos de medida de tensão que utilizam um galvanômetro como sensor. Para poder medir tensões maiores do que a tensão do fundo de escala do galvanômetro é necessário usar um divisor de tensão, que nada mais é que um resistor RV colocado em série, como na figura 2(a). Note que, com o resistor RV, a tensão entre os terminais fica dividida entre o resistor e o galvanômetro, por isso o nome “divisor de tensão”.

Figura 2(a) Configuração básica de um voltímetro. (b) Para medir a queda de tensão em um resistor, um voltímetro V é colocado em paralelo com o resistor.

A diferença de potencial em um resistor é medida colocando-se um voltímetro em paralelo com ele, como mostrado na Figura 2(b), para que a queda de potencial seja a mesma no voltímetro e no resistor. O voltímetro deve ter uma resistência interna extremamente elevada para que seu efeito na corrente do circuito seja desprezível.

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Amperímetros A Figura 3(a) mostra a configuração básica de um amperímetro. A resistência R A tem como função desviar a corrente que passa pelo galvanômetro. Isto porque os galvanômetros têm um limite de corrente máxima que quando ultrapassado os danificam e os tornam inutilizáveis. Desta maneira, para se medir valores de correntes cada vez mais elevadas o valor de RA deve ser cada vez mais baixo. Ou seja, quanto menor a escala do amperímetro menor será o valor da resistência RA, pois maior parcela da corrente poderá atravessar o galvanômetro. Com o princípio de funcionamento em mente, para medir a corrente em um resistor em um circuito simples, você coloca um amperímetro em série com o resistor (se colocado em paralelo introduzirá um curto-circuito), para que a corrente seja a mesma no amperímetro e no resistor. A Figura 3(b) mostra a ligação correta de um amperímetro num circuito. Como o amperímetro tem uma resistência muito baixa (mas finita), a corrente no circuito diminui muito pouco quando o amperímetro é inserido. Idealmente, o amperímetro deveria ter uma resistência insignificante para que a corrente a ser medida fosse afetada de maneira desprezível.

Figura 3(a) Configuração básica de um amperímetro (b) Para medir a corrente em um resistor R, um amperímetro A é colocado em série com o resistor.

2 – Parte Experimental Objetivos: (i) Entender o princípio básico de funcionamento dos medidores de grandezas elétricas; (ii) Montar circuitos elétricos básicos e realizar medidas de tensão e corrente; (iii) Avaliar o erro experimental em medidas elétricas.

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Material Utilizado: Multímetro analógico, multímetro digital, uma fonte de tensão (1,5 V),

resistores 𝑅1 = 47 Ω, 𝑅2 = 100 Ω, 𝑅3 = 220 Ω, um LED e uma Lâmpada. Procedimentos: •

Faça a montagem representada na Figura 4. 𝑅 é o resistor 𝑅1 . Utilize inicialmente os multímetros analógicos.

Figura 4 - Diagrama esquemático. Atenção para a ligação dos medidores de tensão Voltímetro V em paralelo e Amperímetro A em série com o resistor.

A escala dos multímetros deve ser escolhida de forma que a leitura feita alcance aproximadamente a metade do valor máximo da escala do instrumento analógico. Devemos começar com uma escala maior e ir reduzindo até obtermos esse valor confortável. Atente para o desvio da escala (erro). Nos instrumentos analógicos um critério é tomar o desvio como metade da menor divisão da escala. Anote as leituras, com os respectivos desvios; determine a resistência elétrica do resistor, e o desvio através da propagação de erros. ∆𝑅𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 = |

𝑑𝑅

𝑑𝑉

𝑑𝑅

| ∆𝑉 + | 𝑑𝐼 | ∆𝐼

(5)

Repita esse procedimento para os outros dois resistores 𝑅2 e 𝑅3 . Faça o mesmo com o LED e depois com uma lâmpada.

Repita o procedimento com o Multímetro digital fazendo uma análise comparativa dos resultados e desvios.

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Gerador van de Graaff

1 – Introdução O carregamento elétrico de um corpo material A, ou de um dispositivo feito do mesmo material, significa que o corpo material adquiriu a capacidade de exercer forças elétricas e magnéticas sobre outros corpos materiais localizados no espaço da sua vizinhança sem que haja a necessidade de haver contato entre eles. O carregamento elétrico de um corpo material pode ser de dois tipos: o negativo (−) e o positivo (+). Dois corpos materiais com carregamento elétrico do mesmo tipo (+ + ou − −) exercem forças elétricas repulsivas entre si. Quando o carregamento elétrico dos corpos materiais for de tipos diferentes (+ − ou − +) as forças elétricas entre eles são atrativas. Com o advento da teoria atômica no século XX, descobriu -se que o carregamento elétrico dos corpos materiais deve -se a uma propriedade fundamental dos elétrons e dos prótons, as partículas materiais que compõem o átomo. Ainda de acordo com a teoria atômica, os elétrons se movimentam em órbitas fechadas em torno da região central imóvel chamada de núcleo. O núcleo contém os prótons e os nêutrons. Os elétrons têm a unidade fundamental de carga elétrica negativa e os prótons a de carga elétrica positiva. Em módulo, as duas unidades fundamentais de carga elétrica são iguais, cujo valor medido em coulombs é dado por:

e = 1,6x10 −19 C . O modelo atômico de órbitas foi proposto pelo físico dinamarquês Neils Bohr em 1912 e teve como base os experimentos de J.J. Thompson, cujos resultados foram publicados em 1897, e os de Ernest Rutherford publicados em 1910. Thompson mostrou com um tubo de raios catódicos a natureza corpuscular da carga negativa da matéria, ou seja, a existência dos elétrons de carga negativa. Os experimentos de Rutherford, medindo o espalhamento das partículas α que incidiam sobre finas lâminas de ouro, evidenciaram a existência da carga positiva da matéria dentro de um caroço, o núcleo central do modelo de Bohr. O modelo de Bohr, suportado por esses experimentos, é mostrado na Fig. 1.

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Figura 1 – O modelo atômico de Bohr.

Uma vez que qualquer corpo material (A) apresenta-se neutro, se ele não for submetido ao processo de carregamento elétrico, então o número de elétrons e o de prótons da matéria ordinária deve ser igual: Ne = NP. Ou seja, o processo de carregamento elétrico consiste em alterar a igualdade no número de elétrons e de prótons, transferindo elétrons do corpo material (A) para outro corpo material (B), ou vice-versa. Assim, o carregamento elétrico positivo (+) do corpo material (A) significa que o processo de carregamento elétrico transfere uma quantidade ne de elétrons dele para o outro corpo material (B) e que o corpo material (A) fica com uma quantidade n p (= ne) de prótons a mais que a de elétrons. O corpo material (B) recebendo a quantidade adicional ne de elétrons fica carregado negativamente (−). O processo inverso, ou seja, o carregamento elétrico negativo (−) do corpo material (A) também pode ocorrer. Veja na Fig. 2 as duas situações possíveis para o carregamento elétrico do corpo material (A). Atribui-se uma grandeza física para o carregamento elétrico de qualquer corpo material, a chamada quantidade de carga elétrica desbalanceada Q. Mede -se Q em coulombs (1 C) no sistema internacional de medidas (SI). Algumas subunidades do coulomb de uso comum são: o milicoulomb (1mC); o microcoulomb (1µC); o nanocoulomb (1nC) e o picocoulomb (1pC). [Q] = 1 coulomb = 1 C 1 mC = 1x10-3 C; 1 µC = 1x10-6 C ; 1 nC = 1x10-9 C; 1 pC = 1x10 -12 C

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Figura 2 – Os dois tipos carregamento elétrico de um corpo material (A).

Foi o físico norte-americano Robert Millikan quem mediu pela primeira vez o valor em coulombs da carga elétrica de um único elétron. Deduz-se, então, que a quantidade de carga elétrica Q de um corpo material que foi submetido ao processo de carregamento elétrico escreve-se como: Q = ne ; e = 1,6x10 −19 C

Sendo n o número de elétrons transferidos.

2 – O GERADOR DE VAN DE GRAAFF O gerador de Van de Graaff foi construído em 1929 pelo físico americano Robert J. Van de Graaff. No gerador de um motor elétrico movimenta uma correia de borracha que está em contato e atrita o cilindro de teflon ligado ao eixo da polia que gira por meio de outra correia ligada na polia do motor. Um desenho simplificado é mostrado abaixo.

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Figura 3 – Desenho esquemático mostrando o processo de carregamento elétrico da cúpula metálica de alumínio (corpo D). O atrito da correia de borracha (corpo A) com o cilindro de teflon (corpo B) transfere a quantidade de carga elétrica – Q para o cilindro de teflon.

O teflon é um dos materiais que tem a maior facilidade para ganhar elétrons quando em contato com outro material. Já a borracha tem facilidade em perder elétrons, quando comparado ao teflon. Quando um pedaço de borracha é atritado a um pedaço de teflon, a borracha perde elétrons para o teflon. Em consequência, a borracha adquire o carregamento elétrico com uma quantidade de carga elétrica + Q ( Q = ne ) e o teflon adquire o carregamento elétrico com uma quantidade de carga elétrica – Q. Portanto, o cilindro de teflon (corpo B na Fig. 3) adquire o carregamento elétrico com carga elétrica – Q devido ao atrito entre ele e a correia de borracha. A correia de borracha (corpo A na Fig. 3) adquire o carregamento elétrico com carga elétrica + Q. Observe que apenas a parte externa da correia de borracha adquire o carregamento elétrico. Devido ao contato entre a correia de borracha que está com o carregamento elétrico de carga elétrica + Q e o cilindro metálico C, elétrons são transferidos da cúpula metálica de alumínio (corpo D na Fig. 3 ) que se encontra na parte superior de uma coluna. A coluna se apoia sobre a base onde está apoiado o motor elétrico que gira a correia de borracha. Como resultado da transferência de elétrons da cúpula metálica de alumínio para a correia de borracha devido ao processo de neutralização da correia de borracha...