Overview
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade purdue, West Lafayette, IN
Um campo elétrico é gerado por um objeto carregado (chamado de carga de origem) no espaço ao seu redor, e representa a capacidade de exercer força elétrica em outro objeto carregado (referido como a carga de teste). Representado por um vetor em qualquer ponto do espaço, o campo elétrico é a carga de teste de força elétrica por unidade colocada naquele ponto (a força em uma carga arbitrária seria o tempo de carga do campo elétrico). O campo elétrico é fundamental para a eletricidade e efeitos das cargas, e também está intimamente relacionado a outras quantidades importantes, como a tensão elétrica.
Este experimento usará pós eletrificados em um óleo que se alinha com campos elétricos produzidos por eletrodos carregados para visualizar as linhas de campo elétrico. Este experimento também demonstrará como um campo elétrico pode induzir cargas e como as cargas respondem ao campo elétrico observando o efeito de uma haste carregada em uma lata de refrigerante próxima.
Principles
Um objeto carregado produz um campo elétrico no espaço circundante. Por exemplo, de acordo com a lei gauss, uma carga de ponto Q localizada na origem produz um campo elétrico:
(Equação 1)
em qualquer ponto do espaço com uma distância r da carga (na origem r = 0), e a direção do campo elétrico é ao longo da direção radial (longe da carga se Q é positivo, e para a carga se Q for negativo). Uma coleção de cargas produziria um campo elétrico total de acordo com o princípio da superposição, ou seja, o campo elétrico total é a soma vetorial dos campos elétricos produzidos por cargas individuais. Para uma esfera uniformemente carregada com carga total Q, o campo elétrico produzido fora da esfera é o mesmo que o campo elétrico (dado pela Equação 1) devido a uma carga de ponto Q localizada no centro da esfera, enquanto o campo elétrico dentro da esfera seria zero.
Se seguirmos a direção local do campo elétrico para traçar as linhas de campo vetorial, essas linhas (cuja tangente reflete a direção local do campo elétrico, e a densidade das linhas reflete a força do campo elétrico local) são conhecidas como "linhas de campo elétrico". São linhas fictícias que ajudam a visualizar a distribuição e direção dos campos elétricos.
Um campo elétrico está intimamente relacionado com o potencial elétrico. Um campo elétrico produziria uma queda potencial (ou "queda de tensão") ao longo da direção do campo. Por outro lado, uma maneira conveniente de gerar um campo elétrico é aplicar uma diferença potencial. Por exemplo, se duas tensões diferentes forem aplicadas em dois condutores separados (ou uma tensão não zero aplicada em um condutor, mantendo outro condutor "aterrado" a tensão zero), em seguida, é gerado um campo elétrico no espaço entre os dois condutores apontando na direção do condutor de tensão mais alta para o condutor de tensão inferior.
Um campo elétrico (E) exercerá uma força,
em uma carga (q). A direção da força é a mesma do campo elétrico para q positivo, e oposta ao campo elétrico para q negativo. Se um condutor (como um metal) contendo cargas móveis for colocado em um campo elétrico, o campo elétrico empurrará cargas positivas "rio abaixo" na direção do campo elétrico e puxará cargas negativas (como elétrons) "rio acima" opostas à direção do campo elétrico, até que as cargas se acumulem na fronteira (superfície) do condutor e não possam se mover mais. Isso resulta em uma separação de cargas negativas e positivas no condutor em um campo elétrico, fenômeno também conhecido como "polarização" pelo campo elétrico. Mesmo para isoladores onde as cargas são muito menos móveis do que as de um condutor, uma "polarização" parcial (onde as cargas negativas e positivas são ligeiramente deslocadas) pode ocorrer em um campo elétrico. O campo elétrico tentará fazer o deslocamento do negativo para as cargas positivas alinhadas com a direção do campo. Se o campo elétrico for espacialmente inhomogêneo de tal forma que as forças das cargas positivas e negativas separadas não se cancelem, uma força líquida será exercida sobre um objeto polarizado.
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Procedure
1. Visualize linhas de campo elétricas
- Obtenha um gerador eletrostático (como um Genecon estático portátil ou um gerador van der Graff), um par de eletrodos dispostos em uma configuração de círculo concêntrico, e um par de eletrodos dispostos paralelos entre si.
- Obtenha uma placa de Petri ou um tanque de observação, encha-o com óleo (como óleo de rídala) e adicione pós eletrificados/polarizaveis (como sementes de sêmola) no óleo.
- Carregue os eletrodos com a configuração do eletrodo paralelo no suporte do tanque de observação. Conecte os dois eletrodos aos terminais "−" (terra) e "+" (carregados) do gerador eletrostático, respectivamente, conforme a Figura 1. A conexão pode ser feita por cabos com grampos.
Figura 1: Diagrama mostrando os esquemas de dois fios de cobre conectados a um gerador elétrico, as outras extremidades (mergulhadas em um óleo) dos fios são conectadas a um par de eletrodos paralelos.
- Gire a manivela do gerador que colocará cargas positivas no eletrodo conectado ao terminal "+". Faça pelo menos 5 voltas completas. Observe o comportamento dos pós.
- Use um cabo para encurtar diretamente os terminais "−" e "+" para neutralizar as cargas. Desconecte o eletrodo dos terminais.
- Em seguida, carregue a configuração do eletrodo do círculo concêntrico no suporte e conecte os eletrodos aos terminais do gerador novamente, como mostrado na Figura 2. Mexa o óleo no prato para randomizar os pós.
Figura 2: Diagrama mostrando os esquemas de dois fios de cobre conectados a um gerador elétrico, as outras extremidades (mergulhadas em um óleo) dos fios são conectadas a um par de eletrodos moldados como um anel interno e um anel externo, respectivamente.
- Aumente o gerador (pelo menos 5 voltas) e carregue os eletrodos, e observe o comportamento dos pós no prato.
2. Efeito do Campo Elétrico
- Obtenha uma lata de refrigerante vazia e descanse-a de lado (para que possa rolar livremente) em uma mesa
- Obter uma haste de acrílico; esfregá-lo com pele para carregá-lo.
- Aproxime a haste da lata de refrigerante vazia e observe a resposta da lata de refrigerante.
- Rasgue uma pequena tira de papel e leve-a para a haste carregada, observe seu comportamento.
O campo elétrico é fundamental para entender as interações de eletricidade e carga e está intimamente relacionado a quantidades importantes, como o potencial elétrico.
Qualquer objeto carregado gera um campo elétrico. A magnitude do campo depende da quantidade de carga no objeto e da distância do objeto onde o campo é medido. Esses campos também exercem uma força em outras cargas ou materiais próximos causando fenômenos interessantes.
Neste vídeo, primeiro revisitaremos os conceitos básicos relacionados aos campos elétricos, e depois ilustraremos um experimento que ajuda no estudo de campos elétricos e as forças que impactam cargas e materiais em um campo. Por fim, veremos algumas aplicações que usam campos elétricos a seu favor.
Como mencionado anteriormente, um objeto carregado produz um campo elétrico no espaço circundante. Utilizando a lei de Gauss, pode-se demonstrar que a magnitude do campo elétrico é linearmente proporcional à carga de origem 'Q' e inversamente proporcional ao quadrado da distância 'r' da carga de origem; e'k' é a constante do Coulomb. Assim, dobrar a quantidade de carga de origem resulta em dobro da força do campo. Considerando que dobrar a distância de medição reduz a força do campo em quatro vezes.
O campo elétrico produzido por um objeto carregado pode ser visualizado usando linhas fictícias chamadas "linhas de campo elétricos". Estas linhas são uma coleção de setas desenhadas para ajudar a visualizar a magnitude e a direção do campo. Normalmente, as linhas de campo são direcionadas para longe de uma carga de fonte positiva e para uma carga de fonte negativa.
O número total de linhas de campo produzidas por um objeto carregado representa a quantidade da carga, enquanto a densidade das linhas em um determinado local no campo denota a magnitude naquele local. Portanto, as linhas estão estreitamente embaladas perto de uma esfera carregada, enquanto elas estão mais espalhadas a uma distância maior da fonte .
A direção do campo elétrico de uma carga de fonte desconhecida é determinada colocando uma carga de teste nas proximidades da carga de origem, e observando se a carga de teste é atraída ou repelida para longe da carga de origem.
A magnitude desta força 'F' é dada pela lei de Coulomb, que afirma que a força é linearmente proporcional à força do campo elétrico e à quantidade de carga na carga de teste. Para direção: se a carga de teste for positiva, a direção da força na carga de teste é a mesma do campo elétrico. No entanto, se a carga de teste for negativa, a direção da força é oposta à do campo elétrico da carga de origem.
Os campos elétricos também podem produzir uma diferença potencial elétrica, ou uma queda de tensão, ao longo da direção do campo. Esse fenômeno é discutido em detalhes no vídeo Potencial Elétrico desta coleção. Por outro lado, é importante notar que os campos elétricos também são gerados pela aplicação de diferentes tensões a dois condutores separados. Neste caso, a direção do campo aponta da tensão mais alta para a tensão inferior.
Além dos objetos carregados, os campos elétricos também afetam materiais que são neutros em carga, como fio de cobre. Todos os materiais neutros são compostos de uma enorme e igual quantidade de cargas positivas e negativas. Os campos elétricos, portanto, exercem uma força em cada uma dessas cargas; resultando em um deslocamento de grandes coleções de carga no material. Isso pode resultar em uma separação efetiva de cargas positivas e negativas e é conhecida como "polarização".
Na próxima seção, veremos como visualizar linhas de campo do campo elétrico geradas pela aplicação de tensões em duas configurações diferentes de eletrodos. E na seção seguinte veremos o efeito das forças elétricas e o fenômeno da polarização usando papel, pele, uma vara de acrílico, e uma lata de refrigerante.
A demonstração consiste em um gerador eletrostático, como um Genecon estático portátil ou um gerador van der Graff, um par de eletrodos dispostos em uma configuração de círculo concêntrico, um par de eletrodos dispostos paralelos uns aos outros, e uma placa de petri ou tanque de observação.
O tanque de observação é preenchido com um óleo viscoso, como óleo de Cómola, e cerca de meio grama de pó polarizado, como sementes de sêmola.
Coloque o tanque de observação cheio com a emulsão de óleo e pó em seu suporte. Em seguida, monte a placa com a configuração de eletrodo paralelo no suporte. Usando cabos, conecte os eletrodos aos terminais negativos e positivos do gerador eletrostático.
Gire a manivela do gerador pelo menos 5 voltas completas, criando assim uma diferença potencial entre os dois condutores e estabelecendo um campo elétrico. Uma vez que o pó adicionado é polarizado, as manchas de pó lentamente começarão a se alinhar com as linhas de campo elétricas.
Em seguida, a fim de neutralizar as cargas, encurtar diretamente os terminais positivos e negativos, conectando um cabo entre os terminais. Depois de esperar alguns segundos para que a carga se dissipe, desconecte o cabo de curto-metragem dos terminais. Em seguida, desmonte a placa de eletrodo do suporte.
Agora, monte a placa com a configuração do eletrodo do círculo concêntrico no suporte. Misture o óleo e o pó polarizado no tanque de observação, enrolando cuidadosamente a configuração.
Ligue o gerador e gire pelo menos 5 voltas completas para criar um campo elétrico entre os dois anéis condutores. O pó entre os anéis formará linhas de irradiação indicando que as linhas de campo elétrico nesta região são semelhantes às linhas de campo elétrico de uma carga de ponto localizada no centro dos anéis. Em contraste, o pó dentro do círculo interno não possui nenhum alinhamento perceptível indicando que não existe um campo elétrico considerável nesta região.
Agora vamos discutir um experimento que demonstra polarização e forças de campo elétricos. Os itens comuns usados nesta demonstração são uma lata de refrigerante vazia, uma vara de acrílico, um pedaço de pele grande o suficiente para enrolar em torno da vara, e uma tira de um papel.
Coloque a lata de refrigerante vazia de lado para que possa rolar livremente. Enrole o pedaço de pele ao redor da haste e esfregue-o de ponta a ponta pelo menos 10 vezes. Esfregando a haste, você está transferindo fisicamente elétrons da pele para a haste e fazendo a haste carregada negativamente permitindo que ela gere o campo elétrico necessário para induzir uma polarização.
Leve a haste carregada perto da lata de refrigerante vazia e observe as forças atraentes na lata enquanto ela começa a rolar em direção à haste. Isso porque o campo elétrico da vara induz uma polarização na lata de refrigerante. Cargas em frente em sinal para aqueles na vara são trazidas mais perto da vara, enquanto as cargas do mesmo sinal são empurradas para longe da vara. Isso resulta na haste exercendo forças atraentes e repulsivas na lata. Uma vez que as cargas opostas estão mais próximas da haste, estas experimentam uma força mais forte, que produz uma força atraente líquida em direção à haste.
Em seguida, leve a haste carregada perto da tira de papel e observe a curva de papel em direção à haste. O comportamento atraente é o resultado do mesmo efeito de polarização induzido que fez com que a lata de refrigerante rolasse em direção à haste. Curiosamente, apesar de pesar muito menos do que a lata de refrigerante, o movimento geral do papel é relativamente pequeno. Isso se deve à natureza isolante do artigo em comparação com a natureza condutiva da lata, o que leva a uma polarização muito mais fraca.
Os campos elétricos são onipresentes, pois existem onde há objetos carregados ou diferenças de tensão.
A eletricidade, ou corrente elétrica, é o resultado de campos de força elétrica empurrando a carga através de fios altamente condutores. Em larga escala, isso envolve o encaminhamento de eletricidade de usinas para edifícios residenciais e comerciais. Em menor escala, a passagem da corrente elétrica através de um circuito é fundamental para operar qualquer dispositivo eletrônico, como um LED, uma lâmpada, um ventilador ou um computador.
A espectrômetro de massa usa campos elétricos para determinar o conteúdo químico de uma amostra. Neste equipamento, primeiro as moléculas ionizadas são geradas pela aplicação de forças fortes, como um feixe de elétrons, plasma ou lasers. Essas moléculas carregadas são então passadas através de um conjunto de campos elétricos alternados. O campo exerce uma força elétrica sobre as moléculas, o que altera sua trajetória, levando a uma separação efetiva.
Você acabou de assistir a introdução de JoVE em Electric Fields. Agora você deve entender os princípios que regem a magnitude e a direção dos campos elétricos, como visualizar linhas de campo elétricos e como a polarização pode ser induzida por um campo elétrico. Obrigado por assistir!
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Results
Para o passo 1.4, o pó começará a formar padrões de linha entre os eletrodos, conforme mostrado na Figura 3. Isso porque os pós são polarizados e se alinharão com o campo elétrico. Eles também são atraídos para onde o campo é mais forte, ou seja, mais perto do eletrodo positivo. Os pós não se movem consideravelmente porque o óleo é muito viscoso. O padrão dos pós visualiza as "linhas de campo elétrico".
Figura 3: Diagrama mostrando padrões de linha representativos que podem ser formados pelo pó, no óleo, alinhando-se ao campo elétrico produzido pelos eletrodos carregados correspondentes à Figura 1. Os padrões de linha refletem as linhas de campo elétrico e visualizam o campo elétrico.
Para o passo 1.7, o pó fora do anel central (feito pelo eletrodo "+") forma um padrão de linha radial, como mostrado na Figura 4. Isso indica que existe um campo elétrico fora do anel interno. No entanto, o pó dentro do anel interno parece aleatório e não forma padrões alinhados. Isso reflete o fato de que o campo elétrico dentro do anel é aproximadamente zero.
Figura 4: Diagrama mostrando padrões de linha representativos que se formam pelo pó no óleo em resposta ao campo elétrico produzido pelos eletrodos carregados correspondentes à Figura 2. Os padrões de linha refletem as linhas de campo elétrico e visualizam o campo elétrico. A distribuição aleatória (falta de padrões de linha) do pó dentro do anel interno reflete a falta de alinhamento ou falta de força suficiente dos campos elétricos lá.
Para as etapas 2.3 e 2.4, tanto a lata de refrigerante quanto a tira de papel serão atraídas e se movem em direção à haste carregada. Isso porque tanto a lata de refrigerante quanto a tira de papel serão polarizadas pelo campo elétrico, e o campo elétrico é mais forte mais perto da haste e mais fraco mais longe da haste. Portanto, as cargas puxadas pelo campo elétrico para estar mais perto da haste, são puxadas por uma força mais forte em comparação com as cargas opostas empurradas para longe da haste. Isso produz uma força atraente líquida em direção à vara.
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Applications and Summary
Neste experimento, temos campos elétricos visualizados usando pós eletrificados em um óleo que se alinha com as linhas de campo elétrico. Também demonstramos o efeito de um campo elétrico produzido por uma haste de carga para atrair objetos polarizados em direção à haste, ou seja,a fonte do campo elétrico onde o campo elétrico é mais forte.
Campos elétricos são onipresentes. Existem campos elétricos sempre que há cargas ou diferenças de tensão (potencial elétrico). Os campos elétricos fornecem a força para empurrar cargas (geralmente elétrons) para formar corrente elétrica em qualquer circuito. Os campos elétricos também são responsáveis pelas faíscas que vemos e experimentam em clima seco (tipicamente no inverno). Quando uma determinada ação (por exemplo, esfregar um suéter ao removê-lo) produz uma quantidade suficiente de cargas e, portanto, um campo elétrico suficientemente forte, o campo pode causar condução elétrica transitória no ar (também conhecida como "quebra elétrica", onde o campo elétrico é forte o suficiente para não apenas polarizar as moléculas de ar, mas até mesmo para arrancar elétrons de moléculas de ar), e causar faíscas.
O autor do experimento reconhece a ajuda de Gary Hudson para a preparação do material e Chuanhsun Li por demonstrar os passos no vídeo.
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