Ciências e Educação. : Disciplina de Instrumentação III. Eletrostática com materiais de baixo custo

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

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.

Resumo

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.
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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

· 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

SAB

1. Planejamento

2. Orçamento

3. Aplicação prévia do experimento

4. Preparação dos kits

5. Aplesentação

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	Na falta de uma régua, pode-se usar qualquer outro material plástico, como um pente, por exemplo.
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.

Esquema Geral de Montagem