Laboratório 1 - Experimentos sobre cargas e campos

A tela inicial desse laboratório virtual é essa. No retângulo superior, à direita, encontram-se as possibilidades de visualizações. No retângulo menor, à direita, encontram-se instrumentos de medida: uma trena para medir distâncias, e um voltímetro, para medir a voltagem em qualquer ponto selecionado. Para iniciar qualquer experimento, arraste a(s) carga(s) para a área escura. Todas as cargas têm o mesmo valor: 1 nC, ou seja, 1 nanoCoulomb, que corresponde a 10^-9 de 1 C. Você pode montar configurações com cargas múltiplas e diferentes. Basta colocar uma carga sobre a outra.

Nas ilustrações abaixo, a figura da esquerda mostra o tipo de visualização selecionado, e a da esquerda mostra o resultado para a(s) carga(s) selecionadas.

Como você já sabe, o campo elétrico de uma carga positiva aponta para “fora da carga”, enquanto o de uma carga negativa para “dentro da carga”.

Na figura abaixo temos um dipolo elétrico, uma configuração de cargas muito importante em todo o eletromagnetismo, como você viu no livro-texto presente na nossa biblioteca.

A opção “campo elétrico” exibe o vetor com tonalidade diferente dependendo do seu módulo. À medida que o módulo diminui, a cor vai ficando mais esmaecida (Figura abaixo, à esquerda). Na opção “campo elétrico” e “só direção”, todos os vetores apresentam a mesma tonalidade (Figura abaixo, à direita).

O valor do campo também pode ser estimado simplesmente usando um sensor de campo elétrico, como na figura abaixo. Para melhorar a estimativa podemos usar a grade.

Observe os pares de pontos (1,2), (3,4), (5,6). Os pontos em cada par estão à mesma distância da carga positiva. Portanto, devem ter o mesmo valor de campo elétrico, e de potencial elétrico. Esses pontos formam figuras geométricas muito importante no eletromagnetismo: são as equipotenciais. No caso de uma carga puntiforme, ou esférica, as equipotenciais são um círculo, quando vista no plano, ou uma esfera, quando vista em três dimensões. O simulador tem um recurso para visualização de equipotenciais. Com o medidor de voltagem é possível exibir as equipotenciais em qualquer ponto em torno de uma carga elétrica. Na figura à esquerda, o medidor foi colocado no ponto cujo potencial vale 8,665 V. Para exibir a equipotencial que passa por esse ponto (figura à direita), basta clicar no ícone do lápis. Se não quiser que o medidor apareça na imagem, basta arrastá-lo para o retângulo menor à direita da tela.

Quando a configuração de cargas não é simétrica, a forma da equipotencial pode ser bastante complexa, como ilustram os dois casos abaixo. À esquerda, a equipotencial de 7,505 V, e à direita a equipotencial de 10,01 V.

Vamos realizar algumas medidas.

1. Usando apenas o medidor de potencial (Não pode usar a trena), calcule as dimensões da grade a partir da figura abaixo. Escreva no seu caderno qual foi a metodologia usada. Quando estiver satisfeito(a) com seu resultado, veja aqui a nossa resposta .

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2. Forme um quadrado, com duas cargas positivas e duas negativas, de modo que o campo elétrico no centro seja zero. Confira aqui uma resposta.

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3. Considere a seguinte configuração de cargas positivas:

Use o o sensor de campo elétrico para determinar o ponto em que o campo elétrico é nulo. Faça o mesmo para determinar o ponto em que o vetor campo elétrico é horizontal e aponta da direita para a esquerda. Faça os cálculos para confirmar seu resultado experimental. Quanto terminar suas respostas, confira aqui nossa resposta.

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4. No capítulo 2 da nossa biblioteca você aprendeu que um dipolo elétrico é formado por duas cargas iguais e de sinais contrários, colocadas a uma distância muito pequena entre elas. Essa configuração é muito importante no eletromagnetismo, assim como os quadrupolos e os octopolos. No experimento 2 você trabalhou com um quadrupolo, mostrando que o campo elétrico é nulo no centro do quadrado. Agora você vai ser orientado a examinar a estrutura das linhas de campo do dipolo e do quadrupolo.

a. Monte um dipolo e selecione a opção “campo elétrico”. Observe que as linhas de campo são circulares. Elas “saem” da carga positiva e “entram” na carga negativa. Esse tipo de configuração é exatamente o mesmo observado no magnetismo. Se as linhas de campo de um ímã puderem ser visualizadas elas apresentam essa estrutura circular. Salve essa figura para comparar com as outras a seguir.

b. Desmarque a opção “campo elétrico” e coloque o sensor em quatro pontos, todos à mesma distância do centro do dipolo: dois no eixo do dipolo, um ponto no lado da carga positiva e outro no lado da negativa, e dois no eixo perpendicular. Observe bem os valores e as direções dos vetores. Calcule os módulos desses vetores e mostre que as figuras fazem sentido.

c. Monte um quadrupolo como aquele do experimento 2. Repita os procedimentos (a) e (b), sendo que no caso (b) o ponto de referência é o centro do quadrado. d. Observe que o quadrupolo tem mais simetria do que o dipolo.

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Compare suas figuras com as nossas.