protocolos física iii

2013

D.Sc. Sarah Rabelo

Faculdade Redentor

Itaperuna – RJ

Protocolos de aula prática Física Geral e Experimental III

PROTOCOLOS DE AULA PRÁTICA

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Sumário Eletrização por atrito ........................................................................................................................ 4

Pêndulo eletrostático ....................................................................................................................... 5

Latinha Mágica ................................................................................................................................. 6

Dança das bolinhas ......................................................................................................................... 7

Eletroscópio ..................................................................................................................................... 8

TV como fonte de alta tensão – máquina de eletrizar ...................................................................... 9

Gerador de Van der Graaff ............................................................................................................ 10

Motor eletrostático com latas metálicas e copo plástico ................................................................ 11

Motor eletrostático de Poggendorff ................................................................................................ 15

Motor de repulsão com garrafas PET ............................................................................................ 17

Garrafa de Leyden ......................................................................................................................... 19

O equivalente de uma associação em série de capacitores .......................................................... 20

O equivalente de uma associação em paralelo de capacitores ..................................................... 21

Lei de Ohm .................................................................................................................................... 22

A associação de resistores em série ............................................................................................. 25

A associação de resistores em paralelo ........................................................................................ 26

A medida da intensidade de corrente elétrica (com multímetro) em circuito de AC ....................... 27

Associações de lâmpadas em série e paralelo em rede AC .......................................................... 28

Mesa para espectros magnéticos - projetável................................................................................ 29


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Sobre o professor

Nascida na cidade de Muriaé – MG, formou-se no magistério, antigo Normal e, em 2001, licenciou-se em Física pela Faculdade Santa Marcelina em sua cidade natal. Ingressou no programa de mestrado do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), Rio de Janeiro – RJ, em 2002, onde se especializou em Física com ênfase em Instrumentação Científica. Em 2004 ingressou no programa de doutoramento da Universidade Estadual Norte Fluminense, Campos dos Goytacazes – RJ, no curso de Engenharia e Ciência dos Materiais, na área de Materiais e Meio Ambiente. Obteve o título de doutor em 2009 e em 2007 foi admitida no quadro de professores da Faculdade Redentor em Itaperuna – RJ. Em 2010 concluiu a pós-graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Faculdade Redentor. Suas áreas de atuação são a Física Geral e fontes de energias renováveis. É autora de vários poemas e adora assistir a um bom filme com muita pipoca, ketchup e coca-cola.


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ELETRIZAÇÃO POR ATRITO Objetivo

- Observar e descrever o processo de eletrização por atrito Materiais

Papel picado

Plástico

Papel toalha

Canudo Procedimento

- Atritar com vigor o plástico com o papel toalha - Aproximar o plástico do papel picado e observar o que acontece - Aproximar um canudo a uma parede - Atritar, vigorosamente, o canudo e aproximá-lo novamente da parede.


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PÊNDULO ELETROSTÁTICO

Objetivos

- Comprovar o processo de eletrização por atrito - Observar a comprovação da lei de Coulomb Materiais

Tripé com haste

Linha ou fibra de nylon

Papel alumínio

Canudo

Papel toalha Introdução

O pêndulo eletrostático é usualmente utilizado para demonstrar fenômenos de atração e repulsão. É um experimento muito útil na compreensão dos processos de eletrização.

Procedimentos

Monte o experimento conforme a figura. Atrite o canudo com papel toalha e aproxime-o do círculo de alumínio sem tocá-lo. Agora toque o círculo de alumínio, atrite o canudo novamente e aproxime-lo do círculo. Analise os resultados.


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LATINHA MÁGICA Objetivos

- Demonstrar e explicar o processo de eletrização por indução Materiais

Lata de alumínio vazia

Folha plástica

Papel toalha Procedimento

- Atritar a folha plástica com papel toalha - Aproximar a folha plástica eletrizada da latinha deitada e anotar as observações


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DANÇA DAS BOLINHAS Objetivo

- Visualizar os efeitos da força eletrostática

Materiais

Vasilhame com bolinhas de isopor coberto com filme plástico Procedimento

Quando o plástico do topo do aparelho é atritado as bolinhas pulam para o plástico demonstrando o processo de carregamento por atrito e posterior atração eletrostática.


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ELETROSCÓPIO Objetivos

- Comprovar, experimentalmente, a presença de um campo elétrico proveniente de corpos eletricamente carregados

- Comprovar, experimentalmente, a equação: 2rqkE

Materiais

13 cm de arame fino

1 cm de fio de cobre (número 28)

Folha de alumínio

Frasco de vidro ou plástico

1 bolinha de isopor

Adesivo epóxi

1 canudo plástico

1 folha plástica

Papel toalha Procedimento

- Montar o eletroscópio conforme figura. - Atritar o canudo com um pedaço de papel toalha e aproximá-lo da esfera do frasco, sem tocá-la - Observar o que acontece com as tiras de alumínio - Repetir o processo usando a folha plástica no lugar do canudo


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TV COMO FONTE DE ALTA TENSÃO – MÁQUINA DE ELETRIZAR Objetivo

- Concluir que uma tela de TV de tubo constitui uma fonte de alta voltagem Introdução Um televisor adquire em sua tela alta quantidade de carga elétrica negativa nas fases de ligar e de desligar. Essas cargas elétricas podem ser aproveitadas para diversas experiências de eletrostática, em particular, para acionar o motor eletrostático de garrafas. Procedimento - Recorte uma folha de papel alumínio do tamanho que cubra sua tela, deixando livres 2 cm em todo seu contorno. Arredonde os cantos desta folha. - Fixe a borda superior da folha (previamente centrada) contra a tela. - Alise o papel alumínio contra a tela usando, por exemplo, uma tampa de caneta esferográfica. - Prenda as laterais da folha com durex.

- No canto inferior direito da folha, coloque um pequeno clipe metálico, já com a ponta do fio de ligação para o motor eletrostático desencapada e bem presa nele. - Prenda o clipe (e a borda do papel alumínio) contra a tela usando durex. - Finalmente, prenda o fio de ligação (trecho encapado) na borda plástica de sua TV, também com durex. - Para testar sua fonte de alta tensão aproxime um bastão metálico com cabo isolado para manuseio e aterrado ou uma lâmpada. - Também teste a fonte ligando e desligando a TV próxima ao eletroscópio. Cuidado para não levar um choque!


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GERADOR DE VAN DER GRAAFF Denominamos máquinas eletrostáticas a todos os aparelhos capazes de fornecerem, de modo contínuo, quantidades notáveis de cargas elétricas sob alto potencial elétrico. Objetivos

- Estudar a eletricidade estática - Explicar o funcionamento de um Gerador de Van der Graaff - Analisar as interações de um Gerador de Van der Graaf com o meio - Explicar o fenômeno conhecido como “efeito corona” Materiais

Gerador de Van der Graaf

Bastão metálico com isolamento para manuseio e aterrado

Uma lâmpada fluorescente

Uma lâmpada incandescente

O próprio corpo Procedimentos

- Ligar o gerador Van de Graaff e, após algum tempo, aproximar o bastão à cúpula do gerador. Anotar as observações. - Aproximar do gerador uma lâmpada fluorescente e anotar as observações. - Aproximar do gerador uma lâmpada incandescente e anotar as observações. Descreva o fenômeno conhecido como “efeito corona”. - Colocar as palmas das mãos no gerador e, após alguns segundos, observar o que acontece com o corpo e cabelos. Os resultados podem variar conforme a umidade relativa do ar ambiente.


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MOTOR ELETROSTÁTICO COM LATAS METÁLICAS E COPO PLÁSTICO Objetivos

- Demonstrar, experimentalmente, a lei de Coulomb: 221

12 rqqkF

- Explicar o funcionamento de um motor eletrostático

Materiais

Duas latas de refrigerante

2 copos plásticos

Caneta esferográfica comum

Papel alumínio

2 clipes metálicos

Cola à quente ou cola instantânea

Fita adesiva

Fios conectores com garras jacarés

TV como fonte de alta tensão ou Gerador de Van der Graaff Montagem

Visão geral da montagem


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Rotor: Passe cola, camada fina, em toda lateral externa do copo plástico e cubra com a folha de papel alumínio. Com uma colher vá alisando as regiões onde aparecem enrugamentos. Recorte os excessos deixando apenas toda superfície lateral do copo revestida de alumínio. Aguarde secagem. Com uma lâmina bem afiada recorte duas tiras do alumínio, de ambos os lados do copo, de largura de cerca de 1,5 cm. Desse modo o copo ficará com dois setores distintos (e isolados) de cobertura de alumínio, conforme figura.

Mancal e eixo Recorte a extremidade do corpo da caneta esferográfica.

Esse pequeno 'copinho plástico', que servirá de mancal, deverá ser colado no centro do fundo do copo plástico. É através desse 'copinho plástico' que a ponta da caneta esferográfica irá apoiar todo o rotor. Deverá haver uma espécie de 'covinha' nesse mancal onde a ponta da caneta irá ajustar-se. Note isso na ilustração abaixo.


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Suporte do projeto Uma placa de plástico, cerâmica, papelão ou vidro pode ser usado como base do projeto. Não use base metálica. Cole a caneta esferográfica, de pé, no centro dessa base. Ajuste as dimensões da caneta com base nas ilustrações apresentadas.

Cole as latas de refrigerante nas posições ilustradas acima. A distância entre elas deve ser tal que o copo plástico apoiado na ponta da caneta possa girar livremente, com a borda do copo (agora de ponta-cabeça) se mantenha a uns 1,5 cm das latas. Escovas:

Endireite as duas curvas grandes do clipe metálico e os cole nas latas, como ilustrado (vale a pena ligeira raspada nas latas para tirar a tinta superficial, expondo o alumínio).


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Finalizando Coloque o copo plástico de cabeça para baixo sobre a esfera da ponta da caneta. Tenha certeza de que a 'covinha' do mancal se ajusta bem ao redor da esferinha da caneta. Teste a livre rotação desse rotor. Reajuste os arames para que não toquem no copinho e sim fiquem afastados dele cerca de 1 cm. Ligue os fios flexíveis com as garras jacarés nas latas 'estatores' (fita adesiva pode ajudar nessa operação -- raspe as latas nos locais de contato). A extremidade de um desses fios será fixada à fonte de alta tensão. A extremidade do outro fio deverá ser “aterrada” (poderá ser qualquer pedaço de metal).

Ligue a fonte de alta tensão. Seu rotor começará a girar. Se for usada uma TV, este deverá ser ligada e desligada para se observar o efeito. Devidamente sincronizado seu copinho irá adquirir formidável velocidade.


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MOTOR ELETROSTÁTICO DE POGGENDORFF Este tipo de motor eletrostático, de fácil construção, com uso de Materiais bastante simples e, contudo, altamente didático, foi apresentado por volta de 1870, por J. C. Poggendorff. Objetivo - Construir um motor eletrostático de Poggendorff - Explicar o funcionamento do motor Materiais

Disco de CD-ROM desmetalizado

2 bastões isolantes

1 bastão metálico

2 pontas metálicas

Base isolante

Fonte de alta tensão (acima de 40 kV) Montagem

O disco isolante pode ser facilmente obtido a partir de um CD-ROM desmetalizado. A fragmentação da parte aluminizada do CD-ROM pode ser conseguida introduzindo-o em um forno de microondas ajustado para 3 segundos em potência total. Retirada essa cobertura metálica, o CD-ROM torna-se um excelente disco isolante para vários experimentos de eletrostática. A coluna central pode ser adaptada a partir de uma caneta esferográfica, usando a esferazinha como apoio no pivô.


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Uma base de acrílico é a mais indicada para o projeto; uma sugestão de acabamento é ilustrada abaixo:

O dispositivo requer uma fonte de alta tensão (40 a 90 kV), como um gerador de Van der Graaff, por exemplo.

Funcionamento O funcionamento desse motor resume-se no seguinte: Cargas elétricas são depositadas sobre uma região do disco isolante através da ponta metálica. As cargas dessa região são atraídas pela ponta de polaridade oposta, arrastando consigo o disco e promovendo sua rotação ao redor do eixo central. A inerente simetria da montagem pode resultar numa certa dificuldade para a 'partida' do motor; ligeiro empurrão ou mesmo a colocação das pontas metálicas de modo a atuarem mais 'tangencialmente' resolvem essa dificuldade. Após essa hesitação típica de partida, uma vez iniciada a rotação, o disco pode adquirir velocidades bastante elevadas.


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MOTOR DE REPULSÃO COM GARRAFAS PET Objetivos

- Construir um motor de repulsão eletrostática com garrafas PET. - Demonstrar o funcionamento deste tipo de motor utilizando um GVF.

Introdução O princípio básico deste motor é o mesmo do motor de copos e do motor de Poggendorff. Entretanto, sua geometria é diferenciada, o que nos permite analisar a lei de Coulomb em outra visualização. Materiais

1 garrafa PET de 1l, cilíndrica, transparente;

1 garrafinha PET de 250 ml

1 ilhós macho

1 eixo metálico, 3 a 4 mm diâmetro, 15 a 20 cm de comprimento

1 base de madeira pesada, algo como (15 x 10 x 4) cm

1 folha de alumínio fino, (50 x 6) cm (folha de offset fina)

1 pedaço de arame ø =1 mm e 15 cm comprimento

cola de contato, tesoura, etc. Procedimentos

As ilustrações abaixo demonstram a montagem do motor. O mesmo deverá ser ligado a um gerador de Van der Graaff para teste.

Materiais básico

Rosca numa extremidade do eixo e ilhós macho

Furo central na tampa da garrafa de 250 ml PET de 1l cortada a ¾


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Lâminas do estator (grandes) e rotor

(pequenas)

Fixação do eixo e estator na base

Rotor com cinco laminas coladas

Estator com duas lâminas e escovas (fios)

Detalhe das escovas


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GARRAFA DE LEYDEN Esse é um dos primeiros capacitores inventados. Sua finalidade, em primeira instância, é armazenar cargas elétricas e, conseqüentemente, energia potencial elétrica. A grandeza fundamental que o caracteriza é sua capacitância. Antigamente (anterior a 1938) usavam-se os termos 'condensadores' e 'capacidades'. Os correspondentes a partir de 1938 são capacitores e capacitâncias. Objetivos

- Construir e testar uma versão da garrafa de Leyden - Calcular a capacitância de uma garra de Leyden utilizando a

fórmula: sA

VQC o

- Compreender o conceito de capacitância de um capacitor Materiais

Frasco cilíndrico de vidro, acrílico ou plástico Tampa de madeira, acrílico ou plástico Vareta de latão ou cobre Esfera de latão (opcional) Papel alumínio Procedimento

- Montar o capacitor conforme instruções na figura. - Com a mão envolvendo o alumínio da parte externa, aproxime a esferinha da cúpula do gerador de Van de Graaff, em funcionamento. Observe acentuadas faíscas entre a esfera da garrafa e o domo do gerador. - Descarregar o capacitor através de uma lâmpada incandescente ou de LED. - Os alunos dão as mãos fazendo uma roda. Dois alunos soltam as mãos. Um põe a mão no alumínio da parte externa e o outro toca a esfera ... e... Cuidado! A carga elétrica acumulada na garrafa é considerável, não toque na esfera!


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O EQUIVALENTE DE UMA ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE CAPACITORES Objetivos

- Medir a capacitância de um capacitor - Associar capacitores em série - Medir a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em série - Calcular a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em série Materiais

Quadro eletroeletrônico CC e AC vertical

2 conectores com capacitores de 2,2 F

1 conector com ponte elétrica

1 cabo para capacímetro

1 multímetro com seleção para capacímetro

Procedimento

Monte um circuito com os capacitores em série, calcule e meça sua capacitância equivalente. Compare o resultado calculado com o valor medido para a capacitância equivalente.


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O EQUIVALENTE DE UMA ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE CAPACITORES Objetivos

- Medir a capacitância de um capacitor - Associar capacitores em paralelo - Medir a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em paralelo - Calcular a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em paralelo Materiais

Quadro eletroeletrônico CC e AC vertical

2 conectores com capacitores de 2,2 F

1 conector com ponte elétrica

1 cabo para capacímetro

1 multímetro com seleção para capacímetro

Procedimento

Monte um circuito com os capacitores em paralelo, calcule e meça sua capacitância equivalente. Compare o resultado calculado com o valor medido para a capacitância equivalente.


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LEI DE OHM Objetivos

- Determinar a relação entre a resistência elétrica e o comprimento de um condutor homogêneo - Construir a curva característica R versus L de um resistor ôhmico de fio - Determinar a relação entre a resistência elétrica e a área da seção reta de um condutor homogêneo - Construir a curva característica R versus A de um resistor ôhmico de fio - Enunciar a lei de Ohm que vincula a resistência elétrica com as dimensões de um condutor homogêneo. Materiais

Multímetro

Painel dias Blanco composto pelos seguintes resistores metálicos:

o Fio 22% Cr + 4,5% Al + 73,5% Fe: Resistor 1 de fio resistivo com diâmetro de 0,322 mm Resistor 2 de fio resistivo com diâmetro de 0,511 mm Resistor 3 de fio resistivo com diâmetro de 0,720 mm

o Fio 80% Ni + 20% Cr: Resistor 4 de fio resistivo com diâmetro de 0,511 mm

o Fio de Cobre Resistor 5 de fio de cobre com diâmetro de 0,511 mm


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Procedimento Atividade 1 – Dependência de R em relação ao comprimento

Neste primeiro momento você irá considerar o Resistor 1, compreendido entre os pontos A (0 m), B (0,2 m), C (0,4 m), D (0,6 m) e E (1,0 m) Com o multímetro determine o valor da resistência ôhmica oferecida pelo resistor 1 quando seus extremos A e B distam 0,2 m um do outro. Procedendo de maneira semelhante, complete as lacunas da Tabela 1:

Condutor resistivo utilizado L (m) R () R/L

Resistor 1

Resistor 1

Resistor 1

Resistor 1

Com os dada da Tabela 1, faça o gráfico R x L do experimento em estudo. Como você classificaria a figura geométrica obtida neste gráfico? Observando o quociente obtido na última coluna da Tabela 1, como você diria que as grandezas R e L estão relacionadas? E matematicamente? Atividade 2 – Dependência de R em relação à área da seção reta do condutor

Neste segundo momento você irá considerar os condutores metálicos, denominados: Resistor 1, Resistor 2 e Resistor 3, compreendidos entre os pontos A (0 m) e F (1,0 m) Com o multímetro, determine o valor da resistência ôhmica do Resistor 1 em seus extremos A e F. Sabendo que o diâmetro do Resistor 1 é de 0,3 mm, determine a área da seção reta deste condutor de forma cilíndrica.

Procedendo de maneira semelhante, complete as lacunas da Tabela 2:


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Condutor resistivo A (m2) R () R.A

Resistor 1

Resistor 2

Resistor 3

Observando o produto obtido na última coluna da Tabela 2, como você diria que as grandezas R e A estão relacionadas? E matematicamente? Com os dados da Tabela 2, faça o gráfico R x 1/A do experimento em estudo. Como você classificaria a figura geométrica obtida neste gráfico? O CONCEITO DE RESISTIVIDADE Repita todo o procedimento utilizando os resistores 4 e 5. Quais são as suas conclusões com relação ao tipo de Materiais de um resistor?


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A ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE Objetivos

- Determinar a resistência equivalente de uma associação em série de resistores - Reconhecer e montar associações de resistores em série Materiais

Quadro eletrônico CC e AC

Conector com ponte elétrica

3 conectores com resistores 100

2 cabos flexíveis com pinos de pressão

Multímetro regulado para ohmímetro Procedimento Associação em série de 2 resistores

Monte um circuito com 2 resistores em série, calcule e meça sua resistência equivalente. Compare o valor calculado com o medido e discuta o resultado em termos da tolerância dos resistores. Associação em série de 3 resistores Monte um circuito com 3 resistores em série, calcule e meça sua resistência equivalente. Compare o valor calculado com o medido e discuta o resultado em termos da tolerância dos resistores.


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A ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO Objetivos

- Determinar a resistência equivalente de uma associação em paralelo de resistores - Reconhecer e montar associações de resistores em paralelo Materiais

Quadro eletrônico CC e AC

Conector com ponte elétrica

3 conectores com resistores 100

2 cabos flexíveis com pinos de pressão

Multímetro regulado para ohmímetro Procedimento Associação em paralelo de 2 resistores

Monte um circuito com 2 resistores em série, calcule e meça sua resistência equivalente. Compare o valor calculado com o medido e discuta o resultado em termos da tolerância dos resistores. Associação em paralelo de 3 resistores Monte um circuito com 3 resistores em série, calcule e meça sua resistência equivalente. Compare o valor calculado com o medido e discuta o resultado em termos da tolerância dos resistores.


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A MEDIDA DA INTENSIDADE DE CORRENTE ELÉTRICA (COM MULTÍMETRO) EM CIRCUITO DE AC

Objetivos - Determinar a intensidade de corrente elétrica que circula num circuito utilizando um amperímetro - Determinar as relações entre as correntes que circulam em associações em série, paralela e mista de resistores (lâmpadas) Materiais

Quadro elétrico AC com interruptor, plugagens identificadas, disjuntor e plugue de entrada

9 pares de bornes de entrada

4 pontes elétricas

2 soquetes com pinos banana

1 cabo de força

2 lâmpadas cristal 15 W

Multímetro regulado para amperímetro, em escala adequada

Procedimento - Coloque os soquetes com lâmpada 15 W nos bornes 7 e 9. - Coloque pontes nos bornes 1, 3, 5 e 8. - Ajuste o amperímetro numa escala conveniente e conecte seus terminais aos bornes 6A e 6B. - Determine a intensidade da corrente elétrica i7, anotando na Tabela 1. - Transfira a ponte do borne 8 para o borne 6. - Conecte os terminais do amperímetro aos bornes 8A e 8B e meça a intensidade de corrente i9 que circula pela lâmpada 9. Anote na Tabela 1. - Transfira a ponte do borne 1 para o borne 8. - Conecte os terminais do amperímetro aos bornes 1A e 1B e meça a intensidade da corrente i5 que circula pela associação das lâmpadas 7 e 9. Anote na Tabela 1. - Compare a corrente i7 com a corrente i9. - Como é denominada a associação existente entre as lâmpadas 7 e 9? - Qual a relação entre a corrente i7 e a corrente resultante da soma i7 e i9? - Com base em suas medições, comente a veracidade da afirmação: “A corrente total fornecida a um circuito paralelo se divide entre as resistências da associação.”


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ASSOCIAÇÕES DE LÂMPADAS EM SÉRIE E PARALELO EM REDE AC Objetivos

- Reconhecer e representar uma associação de lâmpadas em série - Reconhecer e representar uma associação de lâmpadas em paralelo - Comparar os dois tipos de associações realizadas Materiais

Quadro elétrico AC com interruptor, plugagens identificadas, disjuntor e plugue de entrada

9 pares de bornes de entrada

4 pontes elétricas

4 soquetes com pinos banana

1 cabo de força

4 lâmpadas cristal 15 W

Multímetro regulado para voltímetro Procedimento Lâmpadas em série - Coloque uma ponte no borne 1 e um soquete com lâmpada 15 W em cada um dos bornes 3, 5, 6 e 7. - Identifique o tipo da associação existente. - Determine a tensão existente entre os pontos 3 e 7. - Ligue a chave, descreva e justifique o ocorrido quando uma das lâmpadas é retirada e recolocada. Lâmpadas em paralelo

- Coloque uma ponte em cada um dos bornes 1, 5, 6 e 7 e um soquete com lâmpada 15 W em cada um dos bornes 2, 3 e 4. - Feche o circuito e descreva o ocorrido quando uma das lâmpadas é retirada. - Sob uma dada tensão, em qual das associações estudadas as lâmpadas brilhariam mais? - Qual o tipo de ligação feito em uma residência?


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MESA PARA ESPECTROS MAGNÉTICOS - PROJETÁVEL Objetivos

- Identificar linhas do campo magnético - Identificar os pólos magnéticos de um objeto magnetizado - Traçar as linhas do campo magnético produzidas por um pólo magnético Materiais

- Painel projetável para espectros magnéticos - Ímãs de diferentes formatos - Retroprojetor Procedimentos

Posicione diferentes ímãs sobre a mesa e desenhe a configuração observada nas linhas de campo magnético.

protocolos física iii

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