Kit Física 8 - Eletricidade: Cuba eletrolítica

Descrição: O kit conta com um experimento sobre a cuba elétrica, onde os objetivos são: obter superfícies equipotenciais em uma cuba eletrolítica, mapear o campo elétrico a partir das superfícies equipotenciais, desenvolver os conceitos de potencial e campo e familiarizar-se com o campo para diversas distribuições de carga. Os alunos deverão responder a questão prévia individualmente e por escrito antes de iniciar a atividade. No final, o professor deverá discutir novamente a questão com os alunos. 

* OBS: fazer o empréstimo junto com o kit Física 7, que conta com os cabos, multímetros e fontes de tensão.

Materiais:

• Cuba eletrolítica: - 10 bacias de isopor

- 10 placas de acrílico com fórmica

- 20 eletrodos (cilíndros de cobre com chumbadas)

- 20 eletrodos (tira de cobre com quadrado de acrílico)

- 10 pontas de prova

- água (~ 300 mL) (professor deve providenciar)

• 10 Potenciômetros 

• Fonte de tensão regulável de 2 V a 10 V

• Multímetro

• 3 cabos banana-banana

• 3 cabos banana-jacaré

• 9 Réguas

• 10 anéis de cobre

• 10 flanelas

• 10 lapiseiras com fio

Roteiro para laboratório: 

Montando a cuba eletrolítica

• Sobre uma superfície horizontal, coloque a placa de acrílico na bacia de isopor com a fórmica para cima. 

• Coloque os eletrodos conforme a figura 1. Os eletrodos devem ficar a uma distância de aproximadamente 10 cm. Marque as posições dos eletrodos sobre a placa de fórmica utilizando a ponta de prova (lapiseira). 

• Durante o experimento, os eletrodos devem sempre manter a mesma posição.

• Coloque 300 mL de água na bacia. Deve haver aproximadamente 0,5 cm de líquido sobre a placa de fórmica.

• Ligue os terminais do multímetro à saída da fonte – usando dois cabos banana-banana – e ajuste a tensão para 10 V. Cuidado para não alterar esta tensão durante os experimentos. 

• Se o indicador de curto-circuito acender durante o experimento, desligue a fonte imediatamente (IMPORTANTE!) e verifique o que está errado em seu circuito. 

• Só ligue a fonte novamente depois de corrigir o engano.

Determinando as equipotenciais

• Há duas maneiras de se determinar o potencial em um ponto: usando o potenciômetro ou diretamente com o multímetro. 

• Com o uso do potenciômetro as medidas são mais precisas, do outro modo são mais simples e fáceis de fazer. 

• Escolha uma delas.

Usando o potenciômetro

• Faça as conexões dos eletrodos até o potenciômetro (cabos banana-jacaré) e do potenciômetro até a fonte (cabos banana-banana), conforme o diagrama. 

• Confira a polaridade dos eletrodos, ela será muito importante na determinação da direção do campo.

• Conecte o terminal positivo do multímetro ao conector central do potenciômetro usando um cabo banana-banana e o conector negativo na ponta de prova com grafite (lapiseira).

• Toque a ponta de prova no eletrodo negativo e ajuste o potenciômetro até medir a tensão de 2,00 V.

• Mergulhe a ponta de prova verticalmente na solução e marque, sobre a placa de fórmica, os pontos em que o multímetro indicar 0,00 V. O resultado será mais preciso se a ponta de prova for mantida na vertical. 

• O número de pontos marcados deve ser suficiente para que você possa determinar a curva eqüipotencial. Anote o valor da tensão (2,00 V) para esta curva (figura 3). 

• Evite fazer marcações muito fortes ou contínuas; o grafite também é condutor e pode alterar o campo se for usado em excesso.

• Reajuste o potenciômetro e repita os passos 3 e 4 para 4,00 V, 5,00 V, 6,00 V e 8,00 V.

Diretamente com o multímetro

• Faça as conexões dos eletrodos até a fonte (cabos banana-banana), conforme o diagrama. 

• Confira a polaridade dos eletrodos, ela será muito importante na determinação da direção do campo.

• Conecte o terminal negativo do multímetro ao eletrodo negativo e o conector positivo na ponta de prova com grafite (lapiseira), usando cabos banana-jacaré.

• Mergulhe a ponta de prova verticalmente na solução e marque, com o grafite, o fundo para os pontos em que o multímetro indicar 2,00 V. 

• O resultado será mais preciso se a ponta de prova for mantida na vertical. O número de pontos marcados deve ser suficiente para que você possa determinar a curva eqüipotencial. 

• Anote o valor da tensão (2,00 V) para esta curva (figura 3). Evite fazer marcações muito fortes ou contínuas; o grafite também é condutor e pode alterar o campo se for usado em excesso.

• Repita o passo 3 para os pontos em que o multímetro indicar 4,00 V, 5,00 V, 6,00 V e 8,00 V.

• As curvas que você vai obter não são, necessariamente, parecidas com o exemplo da figura 3.

Transferindo para uma folha de papel

• Desligue a fonte, retire os eletrodos, devolva a solução para o frasco e retire a placa de acrílico com os pontos marcados. 

• Seque a placa com cuidado para não apagar os pontos.

• Transfira estes pontos para uma folha de papel (colocando uma folha sobre a placa e copiando). Não esqueça de transferir também a posição dos eletrodos.

• Apague os pontos da placa de fórmica utilizando uma borracha.

Perguntas sobre o experimento para os alunos responderem: 

1) Una os pontos obtidos para uma mesma tensão de modo a obter uma eqüipotencial para cada tensão.

2) Trace pelo menos cinco linhas de força que partam do eletrodo positivo e cheguem ao eletrodo negativo. Para isso lembre-se de que as linhas de força são sempre perpendiculares às equipotenciais. Olhe novamente a figura 1 e compare com o seu resultado.

3) Estime o campo elétrico (intensidade, direção e sentido) no ponto médio entre os

eletrodos.

4) Calcule a força devida ao campo elétrico que atua sobre um elétron no centro da cuba. Esta força seria diferente em outros pontos? Carga do elétron =1, 6 × 10−19 C.

5) Calcule a aceleração que este elétron sofreria se a força elétrica fosse a única que atuasse sobre ele. Massa do elétron =9, 1 × 10−31kg.

6) Qual é o trabalho realizado pela força elétrica sobre um elétron que parte do eletrodo negativo até o momento em que ele atinge o eletrodo positivo?

7) Qual seria a velocidade com que um elétron atingiria o eletrodo positivo se ele saísse com velocidade nula do eletrodo negativo e não encontrasse nenhuma resistência pelo caminho?

8) Qual seria o efeito sobre o campo elétrico se invertêssemos a polarização dos eletrodos?

9) Este experimento simula o campo criado por duas cargas pontuais. No entanto os cilindros são muito maiores do que qualquer carga pontual. Por que o resultado obtido é tão parecido com o que seria obtido se os dois eletrodos que tivessem raio muito pequeno?

Lembre-se que um material condutor define uma superfície equipotencial.

Materiais complementares:

Roteiro do aluno