Lloyd's Mirror attempt

In this attempt to reproduce the Lloyd's Mirror experiment done in 1834 a red laser was used. The laser beam at a small angle hit the face of a mirror that was parallel to the ground and perpendicular to the wall where the image was formed. The image consists of a bright column in the center formed by triangle-like spots stacked one after the other. Around the central column small dark lines parallel to each other can be seen crossing the red interference background.

The interference patterns of light when passing through different types of slits

In this experiment I shined laser light of 532nm of wavelength on different types of carefully made aluminium foil cutouts. The images were captured using a webcam in front of the wall the laser was pointed at. Eye protection is advised due to the reflective nature of the foil. On the right you have sketches representing the aluminium foil where black represents the aluminium, white represents gaps of air and the green dot represents the position where the laser was shined at. Next to those you have the pictures taken by the webcam of the respective diffraction pattern.

1. Single Slit

A single line formed by wide strikes with a bright flat center

2. Double Slit

A single line formed by short strikes with a bright flat center.

3. Half Slit

A single line with a bright round center.

4. Cross Slit

Two parallel lines formed by wide strikes with a bright cross center.

5. V-Slit

Similar to Cross Slit pattern except for angle between lines.

Resultados da Construção de uma Bateria Cobre-Alumínio

Resultados da Construção de uma Bateria Cobre-Alumínio

Augusto Muniz, Gabriel G. Ferreira, Eduardo M. da Costa, Luiz Z. G. Lopes, Derek G. R. Moura

Colégio Bahiense, Unidade Jacarépagua, Turma M21

(2 de Junho de 2017)

Nosso grupo teve sucesso na construção de uma bateria capaz de gerar  aproximadamente 6.2 volts muito similar à Pilha de Volta construída por Alessandro Volta em 1791 usando apenas materiais encontrados no cotidiano. Para construir a bateria nós utilizamos moedas de 5 centavos, folhas de alumínio e pedaços de papelão embanhados em uma solução de ácido acético.

1.        INTRODUÇÃO

Em 1791 Alessandro Volta, físico e químico italiano, publicou seus experimentos executados com um dispositivo que era capaz de gerar uma corrente elétrica por materiais condutores, A Pilha de Volta. Antes de Volta a única forma de experimentar com eletricidade era utilizando geradores eletrostáticos como as Garrafas de Leiden que produziam corrente elétricas muito curtas. A criação dessa fonte de diferença de potencial elétrico desencadeou uma explosão de desenvolvimento na área do electromagnetismo, cientistas começaram a testar os efeitos da eletricidade em múltiplos materiais, frequentemente descobrindo novas propriedades elétricas de forma acidental.

A pilha construída por Volta era formada por discos de zinco e cobre separados por discos de feltro encharcados em uma solução de ácido sulfúrico. A Pilha de Volta possuía 28 células e hoje é estimado que gerava aproximadamente 21.2 volts, 0.76 volts por célula. O maior problema da Pilha de Volta é que o eletrólito, ácido sulfúrico, além de ser perigoso de manusear, produzia gás hidrogênio  que acumulava na placa de cobre e subia para o espaço entre o eletrólito e a placa de zinco. Esse acumulo de gás hidrogênio iria lentamente diminuir o contato do eletrólito com a placa de zinco, dificultando a produção do diferencial de potencial.

Apesar da Pilha de Volta ser chamada de pilha ela é na realidade uma bateria. Pilhas possuem apenas dois eletrodos e um eletrólito, formando assim uma célula. Mas a pilha de Volta é uma bateria com múltiplas células ligadas em série, portanto, a voltagem total aumenta para cada célula adicionada.

2.        MATERIAIS UTILIZADOS

Para a construção da bateria nós utilizamos moedas brasileiras de 5 centavos para serem os anodos pois essas moedas são revestidas de cobre. Os catodos são discos do tamanho das moedas feitos com papel alumínio. Além disso nós utilizamos discos de papelão com o formato das moedas para serem o meio contendo o eletrólito.

Algumas moedas possuíam quantidades relevantes de óxido de cobre e Diidróxicarbonato de Cu-II devido a corrosão do cobre ao longo dos anos. Por isso, nós emergimos as moedas em uma solução de ácido acético que reagiu com os compostos produzidos pela corrosão formando sais que permaneceram diluídos na solução. Depois de retirar as moedas da solução nós limpamos elas com água corrente até adquirirem uma aparência brilhante.

Na construção do eletrólito entre as placas de cobre e alumínio nós utilizamos vinagre, uma solução de baixa concentração de ácido acético originado da fermentação da cidra. Os discos de papelão foram mergulhados no vinagre por alguns minutos até terem absorvido o máximo de solução possível.

3.        PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

                Após o preparamento dos materiais nós empilhamos os discos que formam a bateria de forma que todas células teriam uma moeda de cobre na base, um disco de papelão com ácido acético no meio e um disco de alumínio no topo.

                Quando a bateria começou a mostrar sinais de falhas estruturais pela sua altura nós decidimos que ela tinha células suficientes. Nós construímos uma bateria com 15 células.

                Para determinar se a bateria tinha capacidade de gerar corrente elétrica nós utilizamos um voltímetro elétrico e também utilizamos a bateria para alimentar 3 lampadas LEDs. Todos os testes foram feitos logo após a bateria ser banhada em ácido acético. Ligando o fio positivo do voltímetro à base de nossa bateria e o negativo à última célula nós medimos uma voltagem de aproximadamente 6.2 volts. Quando ligando o fio positivo vermelho do circuito dos 3 LEDs à base de nossa bateria e o fio negativo ao topo da bateria as lampadas LEDs se ligaram.

4.        CONSIDERAÇÕES FINAIS

                Nossa bateria produziu em torno de 6.2 volts e possuía 15 células. Portanto, a bateria produz 0.41 volts de força eletromotriz por célula. Enquanto isso é acreditado que a pilha de volta produzia 0.76 volts. Essa diferença existe pela diferença dos materiais do catodo e anodo, que possuem variações de energia diferentes nas reações químicas que ocorrem dentro da bateria.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.        https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta

2.        https://en.wikipedia.org/wiki/Voltaic_pile

3.        http://sciencegeekgirl.com/documents/TPT_Salty_Science.pdf

4.        https://en.wikipedia.org/wiki/Verdigris

5.        http://www.mundogump.com.br/do-que-sao-feitas-as-moedas-brasileiras/

Simulador de Dilatação Térmica em C++ - Portuguese

#include<iostream>
#include<string>

using namespace std;
int main ()
{
double DL;
double DT;
double Lo;
double L;
double alpha;
double material;

system("color 0C");
cout << "||||BBBB||||RRRRRR||U|||||U||NN||||N||OOOOO||\n||||B|||B|||R||||R||U|||||U||N|N|||N||O|||O||\n||||B|BB||||R|||||R|U|||||U||N||N||N||O|||O||\n||||BBBB||||R||||R||U|||||U||N|||N|N||O|||O||\n||||B|||B|||RRRR||||U|||||U||N||||NN||O|||O||\n||||B|||B|||R||R||||UU|||UU||N|||||N||O|||O||\n||||BBBB||||R|||R|||||UUU||||N|||||N||OOOOO||\n";
cout << "Bem-vindo ao simulador de dilatacao termica, para continuar pressione enter.";
cin.get();
cout << "A funcao deste programa e de calcular a variacao de comprimento de um objeto metalico produzida pelos efeitos da dilatacao termica."<< endl;
cout << "Este programa foi escrito por Eduardo Monteiro da Costa para o trabalho de fisica.";
cin.get();
cout << "Insira o numero que corresponde ao material do objeto da lista abaixo: \n1. Ferro \n2. Aluminio \n3. Ouro \n4. Cobre";
cin >> material;
if (material == 1){
alpha = 0.000011;
}
if (material == 2){
alpha = 0.000023;
}
if (material == 3){
alpha = 0.000014;
}
if (material == 4){
alpha = 0.000017;
}
cout << "Insira o comprimento inicial do objeto. (metros)";
cin >> Lo;
cout << "Insira a variacao de temperatura. (celsius)";
cin >> DT;
cin.get();
DL = Lo*alpha*DT;
L = Lo+DL;
cout << "A variacao de comprimento foi de: "<< DL <<" metros."<< endl;
cout << "O comprimento inicial foi de: "<< Lo <<" metros."<< endl;
cout << "O comprimento final foi de: "<< L <<" metros."<< endl;
cout << "A variacao de temperatura foi de: "<< DT <<" celsius."<< endl;
cin.get();
cout << "Terminando o programa..."<< endl;
cin.get();
system("PAUSE");
}

Provando a Capacidade de Expansão Térmica de Objetos Sólidos | Trabalho Escolar do Primeiro Ano do Ensino Médio - Portuguese

Provando a Capacidade de Expansão Térmica de Objetos Sólidos

 Gabriel G. , Raquel P. , Michael A. T. , Derek R. M. , Eduardo M. C. , Giovanna B.

1.     Modelo Teórico

Os átomos que formam um objeto sólido podem ser vistos como um conjunto de esferas massivas conectadas por molas entre si onde as molas representam forças extra moleculares. Deformações no comprimento das molas irá criar forças opostas à mudança de comprimento, esta será a razão pelo qual a temperatura vai ter tendência de ser igual por todo o objeto, reduzindo a entropia do sistema e distribuindo sua energia vibracional para todas as esferas. A energia contida na oscilação dessas molas é diratamente proporcional a temperatura do objeto, por esta razão, as molas ficarão cade vez mais esticadas de acordo com a temperatura do objeto causando sua expansão.

Expansão Térmica geralmente diminui com o aumento de energia de ligação entre átomos que poderia ser representado como valores altos da constante elástica das molas. Este efeito é o responsável pelo fato de que  quanto mais alto o ponto de ebulição menor será o coeficiente de expansão térmica. Os metais são objetos quase perfeitamente isotrópicos, o que significa que eles tem os coeficientes de expansão térmica diretamente proporcional ao número da dimensão da expansão. Em condições perfeitas a seguinte equação se aplica:

dL = a . Lo . dT

dL : Variação de comprimento                Para materiais isotrópicos:

a : Coeficiente de dilatação ( 1d)                    b = 2a (2d)

Lo : Comprimento inicial                                  g = 3a (3d)

dT : Variação de temperatura

            A equação acima foi utilizada para programação de um programa escrito em C++ com o intuito de calcular a variação de comprimento de qualquer objeto feito de ouro, cobre, ferro ou alumínio. Com esse programa nós conseguimos determinar o tamanho ideal do nosso experimento.

2.     Método Experimental

Para causar mudança de temperatura o método mais fácil é o de esquentar material mas isso irá criar dificuldades para medir o objeto, podendo ocasionar em acidentes com o material quente. Outro problema é que a variação de comprimento é muito pequena, fazendo incrivelmente difícil a tarefa de medir essas pequenas variações. Por estas razões o experimento foi construido de uma forma que o processo de medir o comprimento do objeto fosse se contato físico direto com o objeto.

   1.      Lâmina de alumínio

   2.      Suportes de metal

   3.      Vela

   4.      Fonte de luz

Nós usamos a sombra do sistema criada pela fonte de luz⁴ para observar a mudança de comprimento da lâmina de alumínio¹. A vela³ foi usada como fonte de aquecimento e os suportes de metal² para manter a lâmina estática acima da vela. O material escolhido foi alumínio porque ele possui um coeficiente de expansão térmica maior que ferro, o que facilitará a observação da expansão linear.

Assumindo que a variação de temperatura da lâmina é aproximadamente de 150 ^oC utilizou-se o simulador de expansão térmica para calcular se dL era alto o suficiente para ser observado no experimento. De acordo com nossa simulação a variação de comprimento da lâmina é por volta de 0.2415 milímetros, o que esta na borda do detectável utilizando as sombras como forma de magnificação da projeção ortogonal da lâmina.

O fim da sombra projetada na parede foi marcada por uma fita isolante antes do aquecimento para determinar comprimento inicial. A variação de temperatura poderia ser aumentada se o objeto for esfriado para temperaturas menores que a do ar, isso não foi feito por falta de equipamentos no momento do experimento. Outra forma de melhorar este experimento é utilizar um laser como fonte de luz e uma lente plano-côncava para fazer o laser ter raios de luz com variação de distância entre eles ao contrário dos raios lineares que não formariam uma projeção grande na parede.

3.     Resultados

Com uma câmera nós podemos detectar o aumento de comprimento da barra confirmando a capacidade de expansão térmica dos sólidos. A variação de comprimento da projeção na parede foi de aproximadamente 0.5 centímetros após 8 minutos de aquecimento. Utilizando o resultado da simulação para determinar o tamanho real da variação de comprimento nós temos que a magnificação da projeção ortogonal é de 20,7 vezes.

                               

            A imagem da esquerda é a sombra antes do aquecimento e a imagem na direita é após o aquecimento. Outro efeito observado foi que a velocidade em que a barra é aquecida e expandida é muito inferior à velocidade em que ela é esfriada e contraída. Após observar a sombra da lâmina aquecida nós utilizamos um líquido primariamente constituido de água para resfriar-la rapidamente, no momento do contato entre a lâmina e o líquido ocorreu calefação instantânea e o objeto voltou para o seu tamanho original em cerca de 3 segundos.

            No momento da calefação foi-se observado a formação de esferas de líquido que se moviam com praticamente nenhum atrito devido ao efeito de Leidenfrost, por essa razão nós temos uma confirmação de que a lâmina estava em uma temperatura muito acima do ponto de ebulição da água.

            Outra forma de observar a expansão térmica é utilizando cordas de aço, se você aquecer cordas de aço esticadas a frequência do som que elas produzem irá diminuir pois o tamanho da corda vai aumentar, diminuindo a tração.

Gabriel G. – Operador de Luz                     Michael A. T. – Cinegrafista

Raquel P. – Pesquisadora Científica         Derek R. M. – Assistente de Laboratório

Eduardo M. C. – Físico Experimental       Giovanna B. – Segurança incendiária

                                                                                                                                                    

The physics of curved bacon

When frying bacon it's a common thing to observe the formation of bumps which grow upwards. The final result is that the bacon gets curved and not flat. Bacon gets harder when heated and the fat in it goes to the frying pan, if you have a flat piece of bacon the fat will accumulate under the bacon and it will eventually turn into gas. The expansion of the gas will produce a sudden movement of the bacon curving itself to allow the gas to escape, this effect creates a pressure under the bacon shaping it in a curved form as it gets harder.

You can observe the effect in the picture above where bacon filaments have many crests. The quantity of crests will depend on the size of the bacon strip.

Theoretical arc discharge frequency of Cockcroft-Walton generator

A homemade Cockroft-Walton generator with dc output of 6kV was used for the experimental setup of the observation of discharge frequency behavior. The output of the generator is not static, meaning that the generator actually has to charge up. When the electric field created by the potential electrical difference is enough to cause ionization of the air an electrical discharge takes place in the form of a bright blue flash and a loud bang. The frequency of the discharges when the wires were static seem to be related to two factors: the distance between the wires and the potential difference. The electric potential difference sets the frequency between the discharges because it is constantly increasing as the generator charges to a maximum of 6kV.

The decrease in distance will decrease the voltage required to create certain electric field and then reducing the recharge required time, increasing the frequency. The probable relationship is non-exponential, future accurate measurements will be made to have certainty of this equation.Where fd is the discharge frequency, Ki is related to the charging velocity of the device which is related to the input voltage and frequency so i reckon that Ki is input frequency times the input voltage. And d is the distance between the two discharge wires

Ki = fi • Vi
fd = Ki/d

Experimental setup

Future measurements will be made with audio record of the bangs to measure exact frequency and also accurate distance measurement. With the second experiment i will be able to calculate Ki to understand it's nature.