A CONSTRUÇÃO E USO DE CAPACITORES DE PLACAS PLANAS PARALELAS EM AULAS DE ELETROMAGNETISMO NO ENSINO MÉDIO

CONSTRUÇÃO E USO DE CAPACITORES DE PLACAS PLANAS PARALELAS EM AULAS DE ELETROMAGNETISMO NO ENSINO MÉDIO.

SANTOS, Adélia Moreira Marques¹, NUNES, Maria Eugênia Silva². Departamento de Física, Universidade Federal de Ouro Preto, MG, Brasil.

RESUMO

Nesse trabalho a constante de permissividade elétrica do ar é determinada experimentalmente. São utilizados capacitores de placas paralelas construídos com placas de alumínio e caixinhas de madeira para guardar giz. Os parâmetros área das placas e distância entre as placas são variados para obtenção dos gráficos de capacitância. Os valores das permissividades obtidos foram satisfatórios e apresentaram desvios menores que 10% do valor tabelado.

Palavras-chave: Ensino de Física, permissividade elétrica, capacitância, capacitores de placas planas e paralelas.

1.0-INTRODUÇÃO

As atividades experimentais estão intrinsecamente envolvidas no desenvolvimento da ciência. Em uma sala de aula são muitos os papéis que uma atividade experimental pode assumir, indo de complemento às aulas teóricas até às descobertas por investigação. Além disso, segundo Rosa [1], o laboratório de ensino tem objetivos cognitivos e objetivos de formação. Os objetivos cognitivos são aqueles ligados à aprendizagem de conceitos, enquanto os objetivos de formação estão ligados a posturas que queremos que nossos alunos tenham dentro de um laboratório. Alguns exemplos de posturas desejadas são, por exemplo, que o estudante seja cuidadoso na tomada de medidas, seja pontual, respeite as normas de segurança do laboratório, concentre-se na atividade em questão, etc.

Propomos aqui um experimento de relativo baixo custo para a determinação da permissividade elétrica do ar. Este experimento pode ser utilizado de maneira demonstrativa numa aula teórica ou em descobertas por investigação; ou ainda, para desenvolver conceitos e auxiliar nos objetivos de formação laboratoriais.

Foram construídos três capacitores de placas planas e paralelas de áreas diferentes e com um mecanismo tal que a distância entre as placas pudesse ser variada. Foram feitos gráficos da capacitância (C) em função da área A das placas e da capacitância em função da distância entre as placas do capacitor. Por meio desses gráficos pudemos avaliar as relações de proporcionalidade direta da capacitância com a área das placas e a relação de proporcionalidade inversa da capacitância com a distância entre as placas. Através dos gráficos da capacitância em função do inverso distância d entre as placas (C X 1/d) foi possível encontrar experimentalmente o valor da permissividade elétrica do ar (Ɛ0) e comparar com o valor tabelado.

2.0-UM POUCO SOBRE A TEORIA DOS CAPACITORES

A definição básica de um capacitor é de um dispositivo constituído por dois condutores isolados eletricamente um do outro [2]. Tal dispositivo pode armazenar energia e disponibilizá-la de forma rápida, se necessário. Os capacitores mais comuns são aqueles com geometrias simples, tais como capacitores de placas paralelas, capacitores cilíndricos (dois cilindros condutores num arranjo coaxial isolados eletricamente um do outro) e capacitores esféricos (duas esferas condutoras concêntricas isoladas eletricamente uma da outra).

Resultados experimentais mostram que a quantidade de carga (q) que conseguimos armazenar em um capacitor depende da diferença de potencial (V) entre as placas do mesmo, ou seja, q α V (q é proporcional a V). Por outro lado, a relação matemática entre essas grandezas é dada por q = C V, em que a constante C é chamada de capacitância do capacitor [3,4]. A unidade de medida da capacitância é o farad (F). A capacitância depende apenas de aspectos geométricos do capacitor e no caso do capacitor de placas planas e paralelas, a capacitância depende fundamentalmente da área das placas e da distância entre as mesmas. Para o capacitor de placas paralelas e planas temos que a capacitância é dada por C = ε0A/d, onde A é a área das placas paralelas, d é a distância entre as placas e ε0 é a permissividade elétrica do vácuo, cujo valor é dado por [3,4]. Se houver um dielétrico preenchendo completamente um capacitor de placas paralelas devemos alterar a capacitância para C = kε0A/d, onde k é a constante dielétrica do meio. No caso do ar k vale 1,00059, o que é um valor muito próximo ao do vácuo, para o qual k=1. Nesse trabalho não faremos distinção entre ar e vácuo quando formos analisar os valores obtidos para a permissividade elétrica, pois nosso experimento não apresenta precisão suficiente para que possamos distinguir entre εar e εvácuo.

3.0-MONTAGEM DO EXPERIMENTO

Nesse artigo tratamos, em especial, dos capacitores de placas planas e paralelas. A escolha dessa geometria foi feita pela relativa facilidade de construção e manipulação dos mesmos. Foram confeccionados três capacitores com áreas diferentes a partir de caixas de madeira retiradas de apagadores de giz convencionais e duas placas de zinco quadradas de áreas iguais para cada capacitor. As áreas das placas foram 100 cm2, 225 cm2 e 400 cm2, com lados respectivamente iguais a 10 cm, 15 cm e 20 cm. Os capacitores construídos são mostrados na Figura 1. A caixa de giz foi escolhida por permitir que a tampa deslize no vão da caixa e por ser um elemento comum nas escolas. Uma das placas de zinco foi colada na tampa e outra no corpo da caixa, de tal maneira que o deslizar da tampa no vão pudesse variar a distância entre as placas. Para a realização do experimento ainda foram necessários: fita métrica, cola própria para madeira, fios de cobre para contato, garras jacaré, solda, ferro de solda e um capacímetro, que pode ser adquirido a um custo relativamente baixo em lojas de equipamentos eletrônicos.

FIGURA1- Os três capacitores construídos no experimento com lados L=10cm, L=15cm e L=20cm da esquerda para a direita. As respectivas áreas são 100cm2, 225cm2 e 400cm2.

As placas de zinco foram coladas em placas de madeira para que ficassem perfeitamente paralelas e firmes durante a realização das medidas. Na Figura 1 ainda é possível ver os fios de cobre que foram fixados nas placas. Para a fixação foi utilizado um pingo de solda em cada conexão de fio com placa de zinco. O capacímetro pôde então ser conectado por meio das garras jacaré aos fios de cobre.

4.0-RESULTADOS E DISCUSSÕES

I. Determinação da permissividade elétrica ε0

As