AprovarVI_01.qxp
9/10/2009
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PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA
Física
a) Princípio da Atração e Repulsão
Da observação experimental, pode ser enunciado o principio da atração e
repulsão.
Corpos eletrizados com cargas de mesmo sinal repelem-se.
Corpos eletrizados com cargas de sinais contrários atraem-se.
b) Principio da Conservação das Cargas Elétricas
Em um sistema eletricamente isolado (não troca cargas com o meio externo),
a soma algébrica das cargas elétricas nele encontradas é sempre constante.
ΣQantes = ΣQdepois
Observação: Os corpos em questão são considerados idênticos.
Professor JULIO FREITAS
Aula 10
Eletrostática – Força eletrica e campo eletrico
O desenvolvimento da eletricidade é um dos fatores determinantes da
história. Os princípios físicos abordados neste Aprovar são suficientes para
se compreender, o funcionamento das centenas de dispositivos elétricos que
nos rodeiam.
Vamos começar o estudo da eletricidade discutindo como surgiu o conceito
básico de carga elétrica.
As primeiras experiências de que se tem notícia, no campo da eletricidade,
ocorreram na Grécia Antiga. Uma dessas experiências constitui em esfregar
um bastão de âmbar (uma resina fóssil de vegetal) em um pedaço de tecido:
o âmbar adquiria a propriedade de atrair pequenos fragmentos. Âmbar em
grego é elétron, o que explica a origem da palavra eletricidade.
PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO
A eletrização de um corpo inicialmente neutro pode ocorrer por atrito, por
contato ou por indução.
a) Atrito – Na eletrização por atrito, os dois corpos adquirem a mesma
quantidade de cargas, porém de sinais contrários.
CONCEITOS DE ELETRIZAÇÃO
b)Contato – Neste processo de eletrização, os corpos são colocados em
contato, favorecendo uma nova distribuição de cargas pela superfície dos
condutores. Na eletrização por contato, fica claro o Princípio da Conservação das Cargas Elétricas.
O âmbar, o tecido e os corpos em geral são formados de átomos.
Átomos são compostos basicamente de prótons, nêutrons e elétrons.
Prótons e nêutrons estão concentrados e formam o núcleo do átomo. Os
elétrons giram ao redor do núcleo e compõem a coroa do átomo (fig. abaixo).
Prótons, nêutrons e elétrons são partículas dotadas de massa.
Os prótons e os elétrons, além de terem massa, apresentam outra
propriedade física, chamada carga elétrica¸que é responsável pelos
fenômenos elétricos. O fato de o âmbar atrair pequenos fragmentos na
experiência citada anteriormente é um exemplo de fenômeno elétrico. Os
nêutrons não tem carga elétrica.
Por convenção:
Próton tem carga positiva
Elétron tem carga negativa
Uma partícula composta de igual número de prótons
e de elétrons é uma partícula neutra, isto é, não tem
carga elétrica. O átomo é um exemplo de partícula
neutra. Se um ou mais elétrons forem retirados do
átomo, este ficará eletrizado positivamente. Se os
elétrons forem fornecidos ao átomo, ele ficará
eletrizado negativamente.
Este conceito pode ser estendido a um corpo:
a) eletrizado positivamente: apresenta falta de elétrons.
b)eletrizado negativamente: apresenta excesso de elétrons.
c) eletricamente neutro: apresenta igual número de prótons e de elétrons.
A eletrostática estuda os fenômenos elétricos nos quais as cargas elétricas
permanecem em repouso.
Para dar caráter quantitativo ao estado de eletrização de um corpo, utiliza-se
uma grandeza chamada quantidade de eletrização ou quantidade de carga,
que é medida no Sistema Internacional de Unidades (SI) em coulombs (C).
Com a finalidade de medir a carga do elétrons, foram feitas experiências
extremamente cuidadosas. O resultado foi o seguinte: a carga do elétron é
igual, em valor absoluto, à carga do próton e vale, aproximadamente, 1,6 .
10–19C. Esse número será indicado por e e representa a carga elementar
(sempre positivo).
A carga elementar é a menor carga encontrada na natureza e vale:
e ≅ 1,6 . 10-19C
Carga do elétron: qeletron ≅ 1,6 . 10-19C= – e
Carga do próton: qpróton ≅ 1,6 . 10-19C= + e
A quantidade de carga de um corpo que está com n elétrons em falta, é +ne.
Assim, sendo Q a quantidade de carga de um corpo n o número de elétrons
em falta ou em excesso no corpo, e e a carga elementar, pode-se escrever:
Q=±n.e
A carga Q assim obtida é medida em coulombs.
c) Indução – A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples
aproximação de um outro corpo eletrizado, sem que haja o contato entre
eles. No processo da indução eletrostática, o corpo induzido eletrizar-seá sempre com cargas de sinal contrário ao das cargas do indutor.
Exercícios comentados
No município de Canutama, no Amazonas, um aluno do Aprovar
dispõe de quatro esferas metálicas iguais e isoladas uma das outras.
Três delas (A,B e C) estão neutras e a quarta (D) está eletrizada
com carga Q. Esse coloca-se D em contato sucessivamente com A,
B e C. qual a carga final de D?
Solução:
Como as esferas metálicas são
iguais, após cada contato as
cargas serão iguais:
A carga final de D é Q/8.
FORÇA ELÉTRICA – LEI DE COULOMB
Um corpo eletrizado e de dimensões muito pequenas é uma carga pontual.
Na figura abaixo, tem-se duas cargas pontuais estacionárias, Q1 e Q2, imersas
num meio material isolante e separadas pela distância d. As cargas Q1 e Q2
interagem, pelo princípio da ação e reação, com forças de campo, de modo
que essas forças:
a) têm a direção da reta que une os seus
centros.
b) são iguais em módulo, mas têm sentidos
opostos.
c) são repulsivas se Q1 e Q2 forem ambas
positivas ou ambas negativas.
d) são atrativas se uma das cargas for
positiva e a outra negativa.
e) têm módulo dado pela lei de Coulomb:
Q1 Q2
F = K –––––––
d2
Onde Q1 e Q2 são tomadas em valor absoluto e K é uma constante característica do meio que envolve as cargas chamada constante eletrostática
do meio.
Exercícios comentados
Um aluno, pré-universitário da UEA, deseja saber quantos elétrons
devem ser retirados de um corpo, inicialmente neutro, para que
fique eletrizado com a quantidade de carga correspondente a 1C?
Solução:
Na expressão: Q = n . e, faz-se Q = 1C e e = 1,6 . 10–19C
1
= 0,625 . 1019 ou n = 6,25 . 1018 elétrons.
Então: 1 = n . 1,6x10–19∴ –––––––––
1,6 x 10–19
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