Linhas de Campo Elétrico e Linhas Equipotênciais

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

EXPERIMENTO

Linhas de Campo Elétrico e Linhas Equipotênciais

Prof. Ivi Valentini Lara

BRUNO LOVISON FRANCO

VITOR SALLA DE MELLOS  

GABRIEL FELIPE DA SILVA

PORTO ALEGRE

2019

INTRODUÇÃO

        No campo da física, é de suma importância o estudo da matéria. Como é composta e quais as suas propriedades, bem como seu comportamento em determinadas situações. Dessa forma, está claro que verificar a atuações de forças sob os elementos fundamentais torna-se uma prioridade dentro desta ciência.

Figura 1 – Portugal à noite fotografada pela Estação Espacial Internacional

[pic 1]

Fonte: NASA

        Atualmente, a eletricidade é sem dúvidas a base para o desenvolvimento tecnológico atual. Seja nas casas, escolas, indústrias, automóveis ou nos smartphones em nossos bolsos, a presença de equipamentos que funcionem com energia elétrica é garantida na rotina da maior parte dos quase 8 bilhões de habitantes1 do nosso planeta. O controle e conhecimento sobre a força elétrica se torna, então, indispensável.

        O fenômeno das cargas e forças que atuam entre elas é o princípio para a maior parte dos atributos encontrados nesta experimentação. Usando os termos de carga positiva e carga negativa ideados por Benjamin Franklin2 pode-se explicar o modelo de cargas e forças. Avante, a Lei de Coulomb apresenta uma forma de quantificar essas forças e então entra o conceito de campo elaborado por Michael Faraday2, que desenvolvido matematicamente por James Clerk Maxwell. Finalmente, definindo a energia potencial elétrica como uma propriedade do campo elétrico e análoga a energia potencial gravitacional pode-se encontrar a relação que dá origem ao potencial elétrico e às linhas equipotenciais.

        Neste experimento buscou-se observar uma propriedade de um sistema composto por duas ou mais cargas e, assim, campo elétrico: o potencial elétrico. Essa que é uma característica única de cada sistema, pois depende de alguns parâmetros do conjunto em questão. Isto posto, foi possível averiguar outras peculiaridades promovidas pelo potencial, como as linhas equipotenciais e, a partir desses resultados, obter os valores dos campos elétricos presentes em determinados pontos.

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OBJETIVO

        Averiguar em um sistema com dois eletrodos, ambos carregados e de cargas diferentes envolvidos por um liquido condutor. Entender como a eletricidade, especificamente a diferença de potencial, se comporta ao longo do tal.

        De tal modo, analisar de forma empírica todos os resultados obtidos do experimento, tendo como viés compreender melhor a forma como o campo elétrico influência no potencial elétrico. Para isso, tivemos como objetivo medir a diferença de potencial em vários pontos e verificar uma relação de tensão em função da distância do eletrodo.

        O principal ponto é que a experiência foi dividida em duas partes, onde foram utilizados 2 eletrodos de formatos diferentes. Para ter melhor percepção das mudanças, serão comparados seus comportamentos, com o propósito de tentar examinar uma relação entre campo elétrico e diferença de potencial elétrico. Por fim investigar qual é essa relação.

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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Cargas elétricas e força

Diz-se que um corpo se encontra carregado quando este possui excesso de cargas. A eletrização de um corpo pode ser feita de diversas maneiras, como por exemplo por fricção (Figura 2). Quando você penteia o cabelo, o pente troca cargas com seu cabelo.

Figura 2 – Atrito entre o cabelo e o pente gera a eletrização do último

[pic 2]

Fonte: UOL

A partir de experimentos físicos, observou-se que existem dois tipos de cargas elétricas, batizadas por Benjamin Franklin2 de cargas positivas e cargas negativas. Estas cargas interagem entre si de duas maneiras: forças de atração ou repulsão. Quando um corpo tem excesso de cargas positivas, ele é capaz de gerar uma força em sua direção e sentido em outros corpos com mais cargas negativas. Entretanto, esse mesmo corpo gera forças com direção e sentido contrários a ele em objetos com cargas positivas em excesso. Assim, temos a máxima:

Cargas iguais se repelem e cargas diferentes se atraem.3

Lei de Coulomb

        Charles Coulomb foi o responsável por quantizar a força eletrostática gerada por duas cargas4. Seus estudos retratam que essa força é resultante de uma constante que multiplica ambas as cargas e é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Matematicamente é descrita como:

        (1)[pic 3]

onde  é uma constante que pode ser escrita como:[pic 4]

         (2)[pic 5]

sendo   a permissividade do vácuo, que tem valor igual a 8,8510-12. [pic 6][pic 7]

        Quando falamos de força entre duas partículas, devemos ter em mente que a força imposta em ambas as partículas terá o mesmo módulo. Já em outros casos, com 3 ou mais partículas, deve ser feito o cálculo de força resultante.

Campo elétrico

Este fenômeno explica a ação das forças elétricas por meio do espaço. Imaginado primeiramente por Michael Faraday2, o campo elétrico se trata de um campo vetorial resultante de todas as forças eletrostáticas ao seu redor. Dessa forma, é possível imaginá-lo como linhas que partem radialmente de uma partícula carregada, seja positiva ou negativamente. Entretanto, há diferença de sentido dependendo de qual carga estamos falando.

Figura 3 – Linhas de campo elétrico em diferentes cargas

[pic 8]

Fonte: USP

        Em cargas positivas, as linhas de campo apontam para fora da partícula, enquanto nas cargas negativas o oposto acontece. Destarte, na interação entre duas cargas de sinais opostos há uma união dessas linhas de força, que partem da carga positiva em direção a carga negativa (Figura 3).

        Quando duas cargas de mesmo sinal ganham proximidade, é possível notar que as linhas de campo não se encontram em ponto algum e, levando em conta que ambas têm o mesmo valor de carga, pode-se assumir que no ponto mediano entre elas não há campo elétrico.