UNIVERSIDADE
FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO
DE EDUCAÇÃO E SAÚDE-CUITÉ
UNIDADE
ACADÊMICA DE EDUCAÇÃO
Professor Rafael com os ex-estudantes Alex e Rayssa de Instrumentação III da UFCG, Cuité-PB.
Eletrostática com materiais de baixo custo: pêndulo eletrostático, cola eletrostática e eletroscópio de udas folhas
Eletrostática com materiais de baixo custo: pêndulo eletrostático, cola eletrostática e eletroscópio de udas folhas
Feira de Ciência da escola estadual Orlando Venâncio de Cuité, 2014
Projeto de pesquisa apresentado em
cumprimento parcial às exigências do professor Rafael de Lima Rodrigues, na
disciplina de Instrumentação III. Eletromagnetismo, do Curso de Licenciatura em
Física.
Este trabalho propõe explicar a
eletrostática utilizando um kit chamado de eletrostática de canudos de refrigerante, onde
utilizamos materiais de baixo custo para seu desenvolvimento e de fácil
aplicabilidade para o Ensino da Física, em nível de ensino médio, podendo ser adaptado para o ensino fundamental e aplicado
tanto em salas de aula, quanto em laboratórios, ajudando assim a melhorar a aprendizagem dos discentes. O principal objetivo de despertar assim
os olhares para a ciência, de modo que a Física possa ter sentido para eles e
ser visto como algo presente em seu cotidiano, sendo produzido de maneira fácil
simples para um melhor entendimento dos alunos.
Palavras-Chaves:
Materiais de baixo custo, Ensino de Física, Ensino Médio
Sumário
Introdução
Objetivos
Fundamentação Teórica
Material Utilizado
Metodologia
Cronograma
Orçamento
Referências
Anexo
Introdução
Eletrização
por atrito é o processo bem simples de geração de cargas eletrostáticas, ele
pode ocorrer sempre que dois corpos de materiais diferentes são esfregados um
no outro.
A
eletrização por atrito não acontece entre metais porque eles são bons condutores
e a descarga é muito rápida, não conseguindo mantê-los eletrificado. O processo de indução eletrostática ocorre
quando um corpo eletrizado redistribui cargas de um condutor neutro. O corpo
eletrizado, o indutor, é colocado próximo ao corpo neutro, o induzido, e isso
permitem que as cargas do indutor atraiam ou repilam as cargas negativas do
corpo neutro, devido a Lei de Atração e Repulsão entre as cargas elétricas.
Leia mais
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A
distribuição de cargas no corpo induzido mantém-se apenas na presença do corpo
indutor. Para eletrizar o induzido deve-se colocá-lo em contato com outro corpo
neutro e de dimensões maiores, antes de afastá-lo do indutor. Esta experiência tem como objetivo que o
aluno mesmo verifique como ocorrem os processos de eletrização por atrito e a
indução eletrostática aplicada a um corpo neutro.
Objetivos
Mostrar a existência de cargas elétricas e
suas propriedades. Demonstrar que a força elétrica é mais intensa do que a força gravitacional.
Fundamentação Teórica
Eletrização por atrito
a) Material
utilizado:
1 pêndulo eletrostático
1 bastão de vidro
1 bastão de ebonite
lã, pele de gato, seda,
feltro, plástico, camurça.
b) Descrição: O
processo de eletrização por atrito é o de mais antiga verificação; por Thales
de Mileto chegam-nos notícias de que no século VI A.C já se sabia que o âmbar
(em grego "electron"), quando atritado com seda ou lã, atraía corpos
leves.
Atritando um bastão
de ebonite com pele de gato, e em seguida
aproximando esse bastão de uma bolinha de sabugueiro suspensa por fio de seda
(pêndulo eletrostático), notamos que a bolinha \'e inicialmente atraída pelo
bastão, entra em contato com ele e é, em seguida repelida. Se, agora,
aproximarmos a pele de gato da mesma bolinha, ela, que acabava de ser repelida pelo bastão, ser\'a
atraída pela pele. Isto demonstra que surgiram dois tipos de carga elétrica:
uma no bastão de ebonite e a outra na pele de gato. Benjamin Franklin
batizou-as de "eletrização positiva" e "eletrização negativa".
Repetindo-se a experiência com outros materiais, foi possível deduzir-se a
seguinte regra: "Atritando-se uma substância A com uma B, se A se
eletrizar positivamente, B se eletrizará negativamente; se B, friccionado com
um terceiro corpo C, ficar positivo, então, atritando-se A com C, A se
eletrizará positivamente e C negativamente". Essa regra permitiu a
organização de uma relação de materiais de tal sorte que uma substância
qualquer se eletriza positivamente quando atritada com as que a seguem e negativamente
quando atritada com as que a precedem na relação. Tal relação chama-se
"Série Tribo-Elétrica", da qual segue uma pequena parte:
Pele de coelho algodão
vidro madeira
mica âmbar
lã resinas, ebonite
pele de gato enxofre
seda celulóide
Por exemplo: o bastão
de ebonite, atritado compele de gato eletriza-se-á negativamente. Ao passo que, atritado com a celulóide,
eletriza-se-á positivamente.
Lei de Força Elétrica para duas partículas com Cargas Elétricas
A
Lei de
Coulomb foi formulada por Charles
Augustin Coulomb, refere-se às forças de interação (atração e repulsão) entre
duas cargas elétricas puntiformes, ou seja, corpo com dimensão e massa
desprezível. A Lei de Coulomb é válida somente
para partículas com carga elétrica. Ela não vale para corpos com dimensões
maiores que partículas. Lembrando que, pelo princípio de atração e repulsão,
cargas com sinais opostos são atraídas e com sinais iguais são repelidas, mas
estas forças de interação têm intensidade igual, independente do sentido para
onde o vetor que as descreve aponta.
O que a Lei de Coulomb enuncia é que a intensidade
da força elétrica de interação entre partículas com carga elétrica é diretamente proporcional ao produto
dos módulos de cada carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância
que as separa.
Material Utilizado
·
Frasco de vidro
Canudo de Refrigerante
Canudo de Refrigerante
·
Fio metálico condutor
·
Papel de alumínio
·
Fita Isolante
·
Régua de plástico
·
Rolha
Metodologia
Primeiramente será apresentado o
experimento com isso verificaremos se aluno tem conhecimento prévio do conteúdo
iniciaremos uma discussão, em seguida será explicado o conteúdo para que eles
possam assimilar melhor, logo em seguida o aluno fará o experimento novamente
assim eles (as) poderão fixar melhor o conteúdo.
Cronograma
Etapas a serem cumpridas
|
||||||||||||
S
|
S
|
Q
|
I
|
|||||||||
1. Planejamento
|
||||||||||||
2. Orçamento |
X
|
|||||||||||
3. Aplicação prévia do experimento
|
X
|
X
|
||||||||||
4. Preparação dos kits |
X
|
X
|
||||||||||
5. Aplesentação
|
X
|
X
|
||||||||||
Orçamento
Material de Consumo
·
Papel de alumínio
·
Fita Isolante
Equipamentos e material permanente
·
Frasco de vidro
·
Régua de plástico
·
Rolha
·
Fio metálico condutor
·
Canudo de refrigerante
Materiais
|
Preços R$
|
|
1 Papel de alumínio
|
4,00
|
4,00
|
1 Fita Isolante
|
3,00
|
3,00
|
6
Frasco de vidro
|
2,00 unid.
|
12,00
|
6 Régua de plástico
|
0,80 unid.
|
4,80
|
6 Rolha
|
2,00 unid.
|
12,00
|
1 Fio metálico condutor
|
8,00
|
8,00
|
Total
|
43,80
|
Tabela de preços
Referências
Física 3/ Gualter José Biscuola, Newton Villas Bôas,
Ricardo Helou Doca. 1. ed. São Paulo: Saraiva, 2010.
Disponível em:
<http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ele12.htm> Data de acesso
04/01/2014.
Anexo
Alguns materiais apresentam, sob determinadas
temperaturas, fenômenos elétricos que podemos explicar usando um modelo
teórico.
Estes fenômenos são observados pelo homem
desde a antiguidade. E desde então houve vários modelos que foram propostos
para tentar explicar a sua origem.
O modelo que melhor explicou tais fenômenos é
o modelo de cargas elétricas, que é usado até os dias de hoje. Este modelo
prevê a existência de dois tipos de cargas elétricas, uma carga de sinal
positivo e outra de sinal negativo.
Para explicar os fenômenos elétricos que eram
observados, foi proposta a lei da atração e repulsão: partículas com cargas
elétricas de mesmo sinal se repelem entre si e partículas com cargas elétricas
de sinais opostos se atraem entre si. Veja o esquema das leis de atração e
repulsão na figura abaixo.
Os
materiais em seu estado fundamental são neutros; a somatória de suas cargas
elétricas é nula.
É por isso que os fenômenos elétricos só
podem ser observados em determinadas condições, ou seja, para que haja repulsão
ou atração entre dois ou mais materiais é preciso que a somatória de suas
cargas não seja nula. Isso quer dizer que é preciso que hajam partículas com cargas
positivas ou negativas em excesso no material.
É possível fazer com que um material que está
neutro fique carregado eletricamente. Para isso basta fornecer ou retirar
algumas cargas elétricas neste material, fazendo com que ele fique com uma
carga líquida positiva ou negativa. Este processo é chamado de eletrização.
Há vários métodos de eletrização que são
empregados, de forma que cada método é usado dependendo do resultado que se
quer obter.
A eletrização só se dá entre materiais
isolantes, pois os materiais condutores não tem a capacidade de reter cargas
elétricas, pois elas escoam pelo material.
Já os materiais isolantes não permitem que as
cargas se movimentem em seu interior.
Neste experimento, para demonstrarmos a
existência de cargas elétricas, utilizaremos do método de eletrização por
atrito.
Esta eletrização é feita com dois materiais
de características elétricas diferentes. Um deve ter mais facilidade para
receber cargas negativas (os elétrons). Estes materiais são chamados de
eletronegativos. E o outro deve ter mais facilidade para doar cargas negativas.
Estes são chamados de materiais eletropositivos. Assim quando estes materiais
são atritados, as cargas negativas migram de um material para o outro.
As partículas com cargas positivas (prótrons)
não se movimentam, devido a força nuclear forte, de maior intensidade do que a
força elétrica. Está por sua vez, é de maior intensidade do que as forças
gravitacionais.
Ao afastá-los um deles terá recebido cargas
elétricas negativas, se tornando um material eletrizado negativamente. E o
outro se tornará um material eletrizado positivamente, pois ao doar cargas
negativas, ficou com excesso de cargas positivas em seu interior. Como mostra a
figura abaixo.
Podemos a partir daqui compreender como se dá
a repulsão e a atração entre materiais carregados.
Para que haja repulsão entre dois materiais,
eles devem estar carregados com a mesma carga. Ao serem aproximados haverá uma
força de repulsão entre eles que se opõe à aproximação. Veja a figura abaixo.
Para que haja atração entre dois materiais é
preciso que eles estejam carregados com cargas elétricas de sinais opostos ou
que um deles esteja carregado e o outro neutro.
A atração entre um material carregado e outro
neutro é mais comum, pente e papel, por exemplo, e pode ser explicado
utilizando-se da ideia da formação de dipolos elétricos, fenômeno comumente
citado como "separação de cargas".
O átomo neutro torna-se um dipolo elétrico
quando os centros de carga positiva e negativa se separam. Isto acontece quando
ele é submetido à ação de outras cargas elétricas.
Se um material tem uma superfície eletrizada
e se aproxima de um material neutro eletricamente, os átomos do material neutro
se tornarão dipolos elétricos (polarização) na região de aproximação.
Por exemplo, se aproximarmos um material
eletrizado negativamente de um material neutro, as cargas negativas em excesso
do material eletrizado vão atrair as cargas positivas dos átomos da região de
aproximação e consequentemente vão repelir as cargas de sinal negativo destes
átomos.
Isso faz o átomo assumir uma nova
distribuição espacial na forma de um dipolo, numa situação análoga a um ímã,
positivo de um lado e negativo de outro, como mostra a figura abaixo.
Note que o material continua neutro, pois o
número de cargas continua o mesmo. A atração é favorecida devido a formação dos
dipolos.
Experimento
Para verificarmos a existência de cargas
elétricas e a propriedade de repulsão entre corpos com cargas elétricas de
mesmo sinal, podemos fazer um experimento simples usando um instrumento chamado
eletroscópio. A ideia principal do funcionamento de um eletroscópio é fazer com
que as cargas elétricas em excesso em seu interior, sejam divididas em duas
quantidades aproximadamente iguais, que por sua vez são guiadas a duas partes
móveis e próximas do aparelho. Devido à mobilidade dessas partes e ao fato
delas estarem carregadas com o mesmo tipo de carga, elas se afastará uma da
outra. Isto permite mostrar de forma visível a repulsão entre cargas de mesmo
sinal.
Não é importante neste momento identificar
qual o sinal da carga em excesso presente no eletroscópio e sim verificar que corpos
com cargas elétricas de mesmo sinal se repelem.
O eletroscópio consiste num frasco de vidro
lacrado onde um fio metálico atravessa a tampa desse frasco até o seu interior.
No interior do frasco, o fio é dobrado de modo particular e sobre ele é
colocado duas lâminas de papel alumínio. No exterior do frasco o fio é
envolvido por papel alumínio e amassado sobre ele até que se forme uma pequena
bola (veja a figura no final).
O próximo passo é atritarmos uma régua com os
cabelos. E ela se eletrizará, pois a régua é um material isolante e se eletriza
por atrito com determinados materiais.
Então se toca a régua recém-eletrizada na
bolinha de papel alumínio. Esta fica com excesso de cargas elétricas devido ao
contato com a régua. Ou porque perderam cargas para a régua ou porque receberam
cargas dela.
Sabemos que os metais são condutores, ou
seja, são materiais nos quais as partículas com cargas elétricas negativas podem
se locomover livremente. Logo, quando da transferência ou retirada de cargas da
régua para a bolinha de alumínio, o excesso de cargas resultante desta troca se
espalha por toda a bolinha (pois como elas se repelem, tendem a se afastar umas
das outras), pelo fio e finalmente pelas lâminas de papel alumínio da
extremidade inferior do eletroscópio. As cargas, ao chegarem na ponta inferior
do fio, se dividem entre as lâminas de papel alumínio, ficando ambas com
excesso de cargas (não há porque as cargas migrarem para uma lâmina e não para
a outra, ou muito mais para uma do que para a outra, visto que elas são do
mesmo material e possuem dimensões praticamente idênticas). O resultado desta divisão
é que as lâminas ficarão eletrizadas com a mesma carga. As lâminas de papel
alumínio tem liberdade de movimento sobre o fio. Como as lâminas se afastam uma
da outra depois da eletrização, podemos verificar visualmente que partículas
com cargas de mesmo sinal se repelem.
Este experimento corrobora o modelo de cargas
elétricas bem como uma das propriedades destas: a de repulsão de partículas com
cargas de mesmo sinal.
Tabela do Material.
Item
|
Observações
|
Frasco de vidro
|
O frasco pode ser qualquer um, não é
necessário que seja de vidro, com indicado erradamente por alguns autores. É preciso que tenha tampa (metálica ou não, tanto faz)
ou que seja construído uma tampa para ele. Dê preferência em fechá-lo com
rolha.
|
Fio metálico condutor
|
Qualquer fio condutor serve. Mas na falta
de um fio pode-se usar outros objetos metálicos: arame, prego fino, clips de
papel etc. Obtêm-se melhores resultados com fios de cobres esmaltados, pois
se evita a perda de cargas. Se a tampa do pote for metálica, esse fio é o
ideal, pois do contrário perderia-se cargas para a tampa. Estes fios são
encontrados em casa de materiais elétricos, ou retirados de aparelhos
elétricos velhos. São fios de cobre recobertos com um verniz.
|
Papel alumínio
|
Papel usado para embalar comida, ou
encontrado em embalagens de barras de chocolates ou de cigarros, por exemplo.
|
Fita isolante
|
Qualquer fita isolante serve (fita usada em
fios elétricos) ou fita crepe etc. Fitas isolantes de fios elétricos são
encontradas em casa de materiais elétricos, supermercados, bazares, etc.
|
Régua de plástico
|
|
Rolha
|
São facilmente encontradas em frascos de
bebidas (vinho, conhaque, etc.). Ou podem ser compradas em armazéns,
supermercados ou bares. Estas geralmente são de cortiça. Rolhas de borracha
são encontradas em farmácias ou lojas que fornecem materiais para farmácias e
hospitais.
|
Montagem
Corte um pedaço de fio
esmaltado de forma que ele vá até o centro do pote e ainda sobre uns 3 cm para
fora da rolha;
Raspe 3 cm do fio em uma
extremidade e 3 cm de fio na outra, até que todo o verniz à volta do fio seja
retirado (nestas regiões);
Enrole e aperte o papel
alumínio na extremidade do fio que ficará do lado de fora do frasco até que se
forme uma pequena bolinha prensada de papel alumínio nesta extremidade. A
bolinha não precisa ser grande: um diâmetro de dois centímetros será
suficiente;
Faça um pequeno furo no
centro da rolha. Tente não deixar o furo muito maior do que a espessura do fio;
Depois de passado o fio pela
rolha, dobre a extremidade inferior do fio como indicado na figura abaixo, na
forma de um "U" horizontal, perpendicularmente ao fio que desce da
rolha;
Recorte duas tiras de papel
alumínio com aproximadamente 5 cm de comprimento e de 3 a 5mm de espessura;
faça uma pequena dobra em cada uma, dando o formato de bengala, como mostra a
figura acima (na figura acima a lâmina de papel alumínio está sendo mostrada de
lado);
Coloque as lâminas sobre o
fio raspado da parte inferior de forma que elas fiquem paralelas (veja a figura
no final);
Ajuste este conjunto
(fio rolha e lâminas) no frasco;
Atrite uma régua com os
cabelos e toque na bolinha de papel alumínio;
Repita o procedimento com
mais de uma régua e de preferência atritados no cabelo de pessoas diferentes;
Comentários
Se a tampa do pote de vidro
for metálica, use fita isolante para cobrir a superfície externa da tampa sob a
região onde está a bolinha de papel alumínio, de modo que esta não toque em
nenhuma parte metálica da tampa e evite a troca de cargas entre a bolinha e a
tampa;
Caso o experimento não seja
montado com um fio de cobre esmaltado e este seja substituído por algum
material não esmaltado, como um prego, por exemplo, recomendamos não utilizar
uma tampa metálica para o pote de vidro. Isso evita a troca de cargas com a
tampa e melhora os resultados.
É muito importante que ao
atritar a régua com os cabelos, a régua e os cabelos estejam limpos e secos.
Se o dia estiver úmido,
aqueça o pote de vidro, sem a tampa ou rolha, sobre a chama de uma vela antes
de começar o experimento e imediatamente antes de fechar o frasco. Isso
diminui a umidade interna do pote, melhorando os resultados.
Ao tocar a régua eletrizada
na bolinha de papel alumínio, as lâminas vão se repelir. Se ao se repelirem,
uma ou ambas as lâminas tocarem o pote de vidro podem ocorrer duas situações:
Se o eletroscópio estiver
apoiado numa superfície aterrada, ou seja, em algum lugar através do qual as
cargas podem fluir para fora do pote de vidro, isso faz com que as lâminas
retornem rapidamente para a posição original, devido a essa descarga (ou
deseletrização).
Se o pote estiver sobre uma
superfície não condutora (não aterrada) e se as lâminas tocarem o vidro haverá
troca de cargas entre a(s) lâmina(s) e vidro, fazendo com que elas retornem à
posição original. Depois de fazer o experimento algumas vezes, as lâminas não
voltarão para a posição inicial, pois mesmo trocando cargas com o vidro, vai
chegar um momento em que não trocarão mais (o vidro ficará cada vez mais
saturado) e então as lâminas retornarão para uma posição um pouco afastada da
original. É que com o excesso de cargas nas lâminas elas continuarão repelidas
até as cargas fluírem para algum lugar não saturado ou descarregado. Você
poderá ver esse fenômeno tocando a bolinha de papel alumínio com as mãos ou com
algum material condutor. Nestes materiais ou na sua mão, as cargas elétricas em
excesso poderão fluir e isso descarregará as lâminas e elas voltarão para a
posição inicial.
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