Capítulo
1
Carga elétrica
Neste capítulo
1.Carga elétrica:
história, modelo
atômico e
características
2.Condutores
e isolantes
3.Processos de
eletrização
4.Mais partículas
elementares
O Brasil é uma das regiões do planeta onde mais ocorrem raios. Anualmente incidem cerca de 100 milhões de
raios no território brasileiro. Nesta fotografia, a cidade de São Paulo.
Pense e responda
1. Na fotografia acima, percebe-se que as trajetórias dos raios são diferentes. Relacione
três diferenças que podem ser observadas entre as trajetórias dos raios.
2.Em sua opinião, os raios estão subindo ou descendo?
3. Formule hipóteses para explicar como ocorrem os raios.
Por que estudar…
… cargas elétricas e processos de
eletrização:
``permite compreender as bases prin­
cipais dos fenômenos elétricos;
``leva à compreensão de diversos fenômenos naturais, como os raios,
e do funcionamento de aparelhos
tecnológicos, como o para-raios,
as pilhas e baterias.
… materiais isolantes e condutores:
``possibilita entender a ocorrência de
choques elétricos e como evitá-los.
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1. Carga elétrica: história, modelo atômico
e características
Introdução histórica
No século VI a.C., os gregos já faziam certas observações de fenômenos
elétricos quando utilizavam âmbar, um material fóssil resultante do endurecimento da seiva de uma espécie de árvore já extinta naquela época. O âmbar era
utilizado pelos gregos na fabricação de objetos diversos. Alguns filósofos gregos, como Tales de Mileto (625 a.C.-547 a.C.), estudaram a propriedade que o
âmbar tem de, após ser atritado com lã ou pele de animais, atrair objetos leves.
O nome grego do âmbar é elektron, vindo daí o termo eletricidade.
Outras observações se sucederam. Na região da Magnésia, hoje pertencente à Turquia, foram observadas pedras que atraíam ferro. Essas pedras foram
chamadas inicialmente de magnetos, depois, de ímãs. Diferentemente do
âmbar, os ímãs não perdem a propriedade de atração ao longo do tempo e
não precisam ser atritados para atrair objetos ferromagnéticos (como o ferro,
o níquel, o cobalto e várias ligas metálicas, como o aço).
Pedaço de âmbar polido para servir de
enfeite em joias e bijuterias.
Magnetita, pedra com atração permanente
para o ferro e outros metais denominados
ferromagnéticos.
Diversas explicações foram formuladas para justificar a atração da magnetita e a do âmbar depois de atritado. No século XVII, o físico e médico William
Gilbert (1544-1603) estudou mais profundamente os fenômenos elétricos,
fez novos experimentos e concluiu que, além do âmbar, havia outros corpos
os quais, depois de atritados, atraíam objetos leves.
Algumas experiências de Gilbert foram reproduzidas pelo físico alemão
Otto von Guericke (1602-1686). Foi ele quem descreveu ser possível haver
também a repulsão entre ímãs e entre certos corpos atritados. Por essa razão,
Von Guericke levantou a hipótese de haver tipos diferentes de corpos elétricos e sugeriu ser possível a transferência de eletricidade entre corpos colocados em contato, ainda que não soubesse exatamente como isso ocorreria.
Em 1729, o físico inglês Stephen Gray (1666-1736) utilizou fios para conduzir eletricidade e postulou a ideia de que há corpos que conduzem melhor
a eletricidade do que outros. Essas descobertas fizeram com que a eletricidade
fosse considerada uma espécie de f luido único, contido nos corpos, que era
capaz de escorrer para outros corpos.
Mas a ideia de um fluido único não era aceita por todos os estudiosos do
assunto. Para o físico francês Charles du Fay (1698-1739) havia diferença entre a eletricidade vítrea, obtida pela fricção do vidro, e a eletricidade resinosa, obtida pela fricção do âmbar. Du Fay dizia que corpos dotados do mesmo
tipo de eletricidade se repeliam, enquanto aqueles dotados de eletricidade diferente se atraíam.
Ao contrário de Du Fay, o cientista estadunidense Benjamin Franklin
(1706-1790) afirmava existir somente um tipo de fluido elétrico presente em
todos os corpos. Segundo Franklin, corpos com excesso desse f luido deveriam ser chamados de eletrizados positivamente, e corpos com falta desse
fluido deveriam ser considerados corpos eletrizados negativamente.
Ligado ao tema
Benjamin Franklin
e o para-raios
Gravura representando o
experimento de Franklin que
resultou na invenção do para-raios.
O cientista estadunidense
Benjamin Franklin é o responsável pela invenção dos para-raios,
resultado de uma pe­rigosa experiência realizada por ele. Antes
de uma tempestade que se armava com muitos raios, Franklin
empinou uma pipa de papel de
seda com uma ponta de metal;
a extremidade oposta da linha
foi colocada dentro de uma gar­
rafa de Leyden, dispositivo que
armazena cargas elétricas (será
estudado mais adiante). Utilizou
apenas uma luva de seda para
isolar sua mão, o que caracterizou a atividade como altamente
perigosa. Com esse experimento,
Franklin demonstrou que apareciam pequenas faíscas elétricas no interior da garrafa de
Leyden, o que levou à conclusão de que os raios são faíscas
elétricas intensas, conforme o
próprio cientista suspeitara.
Meses depois, Franklin publicou essa experiência e, com
ela, deu recomendações detalhadas de como poderiam ser
colocados para-raios para proteger pessoas, matas e plantações. A intenção era que os
raios atingissem os para-raios
(similares à pipa) em vez de
atingirem as plantações e as
pessoas, evitando, assim, prejuízos materiais e humanos, já
que os raios podem matar e
causar incêndios.
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1
Carga elétrica
Modelo inicial de átomo
Ligado ao tema
Rutherford e o núcleo
atômico
O físico inglês Ernest Rutherford lançou um feixe radioativo
sobre uma fina lâmina de ouro,
feixe que depois poderia ser detectado ao colidir com uma lâmina de sulfeto de zinco.
feixes transmitidos
tela
fluorescente
lâmina de
ouro
feixes
refletidos
A concepção da eletricidade como fluido permaneceu por muito tempo, e
foi abandonada em definitivo somente com a descoberta do elétron, em 1887,
pelo físico inglês John Joseph Thomson (1856-1940). Essa descoberta teve
papel fundamental na melhor compreensão dos fenômenos elétricos, e inspirou vários modelos de átomo.
Um dos modelos de átomo de maior importância foi o proposto pelo físico
inglês Ernest Rutherford (1871-1937), posteriormente aprimorado pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962). A contribuição de Bohr será estudada no capítulo sobre Física moderna. Esse modelo se assemelha ao modelo do
Sistema Solar, em que o Sol ocupa o centro do sistema e os planetas giram ao
seu redor. Por essa razão, foi chamado modelo planetário de átomo. Segundo
esse modelo, cada átomo apresenta possui duas regiões, descritas a seguir.
ƒƒ Núcleo: é o centro do átomo, formado pelas partículas prótons e nêutrons.
ƒƒ Eletrosfera: região em torno do núcleo, na qual orbitam os elétrons.
fonte de
partículas alfa
lâmina de
sulfeto
de zinco
raio de partículas alfa
cápsula de chumbo
Era sabido que o feixe radioa­
tivo era capaz de atravessar
películas finas, de modo que o
resultado esperado era que o
feixe fosse totalmente transmitido através da lâmina de ouro,
apresentando apenas pequenos
desvios em sua trajetória. Embora boa parte do feixe radioativo tenha sido transmitida da
maneira esperada, uma parcela, porém, sofreu grandes desvios, e uma parcela ainda menor
foi totalmente refletida de volta.
Rutherford concluiu que a única maneira de explicar os grandes desvios era considerar que
toda a carga positiva do átomo,
e grande parte de sua massa,
estavam concentradas em uma
pequena região do interior do
átomo, que chamou de núcleo.
Investigações posteriores levaram à conclusão de que o núcleo era formado por partículas
menores, de carga positiva, que
foram chamados de prótons.
Como o núcleo era bastante
maciço, e a massa dos prótons
não explicava seu valor, Rutherford pressupôs que deveria haver mais partículas no núcleo,
as quais não teriam cargas.
A essas partículas, foi dado o
nome de nêutrons.
Esquema com cores-fantasia e sem
escala do modelo planetário de
átomo proposto por Rutherford-Bohr.
Os prótons e os nêutrons ficariam
no núcleo, enquanto os elétrons
orbitariam o núcleo, em uma região
praticamente vazia chamada
eletrosfera.
elétron
nêutron
próton
Características da carga elétrica
Tanto os prótons quanto os elétrons tinham poder de atração ou repulsão e, por isso, passou-se a dizer que são partículas portadoras de carga
elétrica.
Não é possível definir exatamente o que é uma carga elétrica. Sabe-se que
se trata de uma propriedade de natureza eletromagnética que certas partículas elementares apresentam. Essa propriedade está associada ao poder de
atração ou repulsão dessas partículas. Ou seja, a carga elétrica é responsável
pelos fenômenos envolvendo forças de atração e repulsão elétricas. Mas não
é possível defini-la.
Essas cargas podem ser positivas ou negativas. Elétrons têm carga negativa, e prótons têm carga positiva. Há partículas que não têm carga elétrica. É o
caso dos nêutrons, propostos por Rutherford como mais um tipo de partícula
presente no núcleo atômico.
Ainda de acordo com o modelo de Rutherford-Bohr, cada átomo é neutro,
ou seja, tem cargas positivas (1) e negativas (2) em igual quantidade.
Sabe-se hoje que os elétrons (2) podem se movimentar de um corpo
para outro, pois os prótons (1) ficam “presos” no núcleo atômico. Quando
um objeto está com mais prótons do que elétrons, ou somente com prótons,
diz-se que está eletrizado positivamente, pois perdeu elétrons. Se estiver
com mais elétrons do que prótons, ou somente com elétrons, diz-se que está
eletrizado negativamente.
Note-se que essa nova definição é diferente da proposta de Benjamin Franklin,
que dizia estar um corpo eletrizado positivamente se contivesse excesso de fluido elétrico, e eletrizado negativamente se nele faltasse fluido. De acordo com o
novo modelo, estar eletrizado positivamente corresponde à falta de elétrons; estar eletrizado negativamente corresponde a ter excesso de elétrons.
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A carga elementar
Prótons e elétrons têm cargas iguais. Segundo o modelo de Rutherford-Bohr,
a carga de ambos é a menor quantidade de carga possível. Por essa razão, é
chamada de carga elementar (símbolo e). A determinação do valor e da carga elétrica fundamental foi feita pelo físico norte-americano Robert Millikan
(1868-1923) em um famoso experimento que leva o seu nome. Nele, Millikan determinou o seguinte valor da carga elétrica fundamental e.
e 5 1,6 ? 10219 C
Um próton tem carga 1e, enquanto um elétron tem carga 2e. No SI, a
unidade de medida de carga é o coulomb (C), em homenagem ao físico francês
Charles Coulomb (1736-1806).
A quantidade de carga Q de qualquer átomo, corpo ou objeto é, portanto, um
múltiplo inteiro da carga elementar. Para determinar essa quantidade de carga Q
de um corpo, deve-se utilizar esta expressão: Q 5 n ? e , em que n é o número
Ligado ao tema
A experiência de Millikan
Para determinar o valor da
carga fundamental, Robert
Millikan analisou o comportamento de gotículas de água
eletrizadas submetidas a duas
forças ao mesmo tempo: gravitacional e elétrica.
força elétrica
�
peso
de partículas em excesso com carga elétrica elementar.
Princípio da atração e repulsão
Quando próximas, as cargas podem apresentar atração ou repulsão, dependendo do tipo de carga (1 ou 2) que apresentam. O princípio da atração
e repulsão pode ser expresso do seguinte modo.
Partículas com cargas de sinais iguais se repelem, e partículas com cargas de sinais diferentes se atraem.
Pode-se perceber essa interação facilmente, por exemplo, atritando com papel um canudo de plástico e aproximando-o de pequenos pedaços de papel-alumínio. Caso tenham cargas de mesmo sinal, o canudo e os pedaços de papel-alumínio se repelem; caso tenham cargas de sinais diferentes, atraem-se.
Experimento
que comprova
a existência de
atração elétrica
entre corpos. Como
os corpos se atraem,
suas cargas são de
sinais diferentes.
Experimento
que comprova
a existência de
repulsão elétrica
entre corpos.
Como os corpos
se repelem, suas
cargas são de
mesmo sinal.
Princípio da conservação das cargas
Em um sistema isolado eletricamente não há troca de cargas entre sua
parte interna o meio externo. Um sistema eletricamente isolado – em cujo interior existam n corpos eletrizados, cada qual com uma determinada quantidade de carga – tem uma quantidade de cargas total (Qinicial). Caso as partes
internas troquem cargas entre si, após essa troca haverá diferenças nos valores
de carga de cada parte, mas o sistema como um todo mantém a mesma quantidade de cargas (Qfinal) que apresentava possuía no início.
Daí se conclui que a soma das cargas elétricas de um sistema eletricamente
isolado é constante, como demonstra a equação a seguir.
Modelo esquemático do experimento
de Millikan.
Deixou cair uma gotícula
eletrizada entre duas placas
carregadas com sinais contrários ( e ). Como consequência, a gotícula foi submetida à
força peso e à força elétrica. As
cargas da placa estavam reguladas de modo que a gotícula
ficasse em equilíbrio. Nessa situação, a força elétrica e a força peso são iguais em módulo.
Com esse procedimento, pode-se igualar as forças e, assim,
calcular a quantidade de carga
presente na gotícula.
Posteriormente, devido ao
fato de a água evaporar muito
rapidamente, Millikan trocou as
gotículas de água por gotículas
de óleo. Após longas e exaustivas repetições da experiência,
concluiu que a quantidade de
carga que provocava a menor
alteração possível no movimento da gotícula era igual à carga
de um único elétron.
Percebeu, também, que todos os demais valores de carga
que se podiam adicionar à gotícula eram múltiplos do valor
unitário de carga atribuído ao
elétron.
Qinicial 5 SQfinal
Esse é o princípio de conservação das cargas, proposto inicialmente por
Benjamin Franklin.
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1
Carga elétrica
Exercício resolvido
1. Três corpos eletrizados inicialmente com as cargas Q1 5 22 mC, Q2 5 5 mC e Q3 5 24 mC, localizam-se em um sistema eletricamente isolado.
Após trocarem cargas entre si, os corpos 1 e 2
apresentam as cargas Q’1 5 1 mC e Q’2 5 3 mC, respectivamente. (1mC 5 1026 C)
a)Determinar a carga final do corpo 3 (Q’3).
b)Responder se o corpo 3 perdeu ou recebeu
elétrons e justificar.
c) Calcular o número de elétrons cedidos ou recebidos pelo corpo 2.
d)Explicar se após a troca de cargas haverá atração ou repulsão entre os corpos 1 e 3.
Resposta
a)De acordo com o princípio da conservação das
cargas, a soma das quantidades de cargas antes das trocas deve ser igual à soma das cargas após as trocas. Assim:
Q1 1 Q2 1 Q3 5 Q’1 1 Q’2 1 Q’3 Æ
Æ (22 ? 1026) 1 5 ? 1026 1 (24 ? 1026) 5
5 1 ? 1026 1 3 ? 1026 1 Q’3 Æ
Æ Q’3 5 25 ? 1026 C ou 25 mC
b)A carga do corpo 3 inicialmente era de 24 mC
e passou ser igual a 25 mC, ou seja, aumentou
a quantidade de cargas negativas, indicando
que o corpo recebeu elétrons.
c) O corpo 2, inicialmente, tinha uma carga de
5 mC e passou a ter uma carga de 3 mC, diminuindo a quantidade de cargas positivas em
excesso, indicando que esse corpo recebeu
elétrons. Para determinar o número de elétrons recebidos, inicialmente deve-se observar a variação da quantidade de carga.
DQ 5 Q’2 2 Q2 Æ DQ 5 3 ? 1026 2 (5 ? 1026) Æ
Æ DQ 5 22 ? 1026 C
Para determinar a quantidade de elétrons, utiliza-se a seguinte equação:
Q
22 ? 1026
Q 5 n ? e Æ n 5 __
​ e ​ Æ n 5 __________
​ 
 
 ​ 
Æ
21,6 ? 10219
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Æ n 5 1,25 ? 10 elétrons.
d)De acordo com o princípio da atração e repulsão, cargas opostas se atraem. Como Q’1 5 1 mC
e Q’3 5 25 mC são cargas opostas, haverá atração entre os corpos 1 e 3.
Exercícios propostos
2. Incide-se um feixe de luz ultravioleta em uma placa metálica. Durante o processo, são ejetados
6,25 ? 1010 elétrons. Determine a quantidade de carga da placa no final do processo, considerando isolado o sistema luz-placa.
3. Dois corpos eletricamente isolados apresentam cargas Q1 5 25 mC e Q2 5 8 mC. Após troca de cargas entre eles, o corpo 1 adquire o dobro de carga do corpo 2.
Determine a carga de cada corpo depois da troca.
4. Copie
as afirmações abaixo e assinale V, caso a
afirmação seja verdadeira e F caso seja falsa.
a)Nas trocas de cargas entre corpos, as partículas
transferidas são os elétrons.
b)Em um corpo eletrizado positivamente, o número
de prótons é menor que o número de elétrons.
c) Em um corpo neutro, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas.
d)Nas trocas de cargas entre os corpos, as partículas transferidas são os prótons.
e) Em um sistema fechado, é possível aumentar ou diminuir a quantidade de cargas sem que haja quaisquer trocas de cargas com sistemas externos.
f) Todas as vezes que for dito que um corpo está
eletrizado negativamente, pode-se concluir que
não há nenhuma carga positiva nele.
g)Se dois corpos eletrizados se atraem, as suas
cargas são de sinais diferentes.
5. Dois corpos encontram-se em um meio eletricamente
isolado. Inicialmente apresentavam quantidades de
carga iguais a Q1 5 3 mC e Q2 5 21 mC.
a)Identifique o tipo de partícula que está em excesso no corpo 1.
b)Identifique o tipo de partícula que está em excesso no corpo 2.
c) Calcule a quantidade de carga total no meio
após esses corpos trocarem cargas entre si.
d)Determine a carga do corpo 2 no final da troca de
cargas, sabendo que o corpo 1 apresentou uma
quantidade de carga igual a 2 mC.
6. Um objeto está carregado com carga Q1 5 4 C.
a)Determine a quantidade de prótons em excesso
presentes nesse corpo.
b)Caso se queira neutralizar esse corpo, identifique qual seria a quantidade de elétrons que deveria ser transferida a esse corpo.
7. Pesquisar e explicar por que, ao aproximar o braço
do monitor do computador ou da TV quando ligados, os pelos do braço sofrem atração e se levantam, muitas vezes ocorrendo pequenos estalos.
8. Explique em que a carga elétrica de um elétron difere da carga de um próton.
9. Se alguém lhe perguntasse o que é uma carga elétrica, qual seria a sua resposta?
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2. Condutores e isolantes
Condutores
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Esquema (cores-fantasia) de um
conjunto de cinco átomos que compõem
a estrutura atômica dos metais. Os
elétrons livres não ficam ligados ao
núcleo de nenhum átomo, ao contrário
dos elétrons mais próximos aos núcleos
atômicos. Os prótons encontram-se
fixos nos núcleos.
Nos condutores eletrizados, o excesso de cargas localiza-se na superfície
externa do corpo. Isso ocorre porque as cargas em excesso têm o mesmo sinal
e portanto se repelem, ficando à maior distância possível uma das outras –
na superfície do condutor.
Isolantes
Materiais que não permitem o trânsito de partículas portadoras de cargas elétricas com facilidade são chamados de isolantes ou dielétricos.
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Os fios elétricos das
instalações residenciais são
feitos de material condutor,
geralmente de cobre, envolto
por um material isolante (na
fotografia, com várias cores)
que evita a troca de carga.
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Podem ser considerados isolantes o ar, a água
pura, vidro, plástico, seda, lã, enxofre, parafina,
madeira e borracha. Se ligados aos terminais de
uma pilha ou bateria, não possibilitam a movimentação de cargas, a não ser que estejam submetidos
a uma grande intensidade de força eletromagnética.
De acordo como o modelo atômico de Rutherford-Bohr, esses materiais não apresentam elétrons livres em grande quantidade, pois a maioria deles
está firmemente ligada ao núcleo atômico. Portanto, não há o transporte de carga elétrica.
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elétrons
livres
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átomo
Mesmo não conduzindo eletricidade, alguns materiais isolantes ou dielétricos têm a
propriedade de atrair ou repelir
outros objetos quando eletrizados. Isso ocorre, basicamente,
em três situações.
1) Quando recebem elétrons, a
carga excedente recebida não
se distribui e, por isso, permanece localizada dentro do
isolante. Essa região com excesso de elétrons exercerá
atração ou repulsão sobre os
demais corpos.
2)Quando um material que é
isolante perde elétrons, o excesso de prótons também fica
localizado, gerando polos com
sinais positivos dentro do material. Esses polos terão poder
de atração ou repulsão sobre
os demais corpos.
3)Quando submetidas a uma in­
fluência externa, como uma
força elétrica, substâncias
isolantes compostas por mo­
lé­cu­las polares (aquelas que
apre­sentam uma assimetria
na distribuição de cargas,
ou seja, o centro das cargas
positivas não coincide com o
centro de cargas negativas, figura A) podem orientar-se no
interior do isolante. Elas fazem surgir, então, em uma das
extre­midades do corpo um excesso de carga positiva e, em
outra, excesso de carga negativa, permanecendo o corpo ainda eletricamente neutro, mas
exercendo poder de atração
elétrica devido à grande diferença entre a concentração de
cargas com sinais diferentes
(figura B).
�
São exemplos de condutores: os metais, o grafite, soluções eletrolíticas, gases ionizados, o corpo humano, a superfície da Terra, entre outros.
A condutividade elétrica de alguns materiais pode ser explicada pelo modelo atômico de Rutherford-Bohr. Tome-se como exemplo o caso dos metais. De
acordo com o modelo atômico adotado, na estrutura atômica desses materiais,
os elétrons das camadas mais externas (ou seja, mais longe dos núcleos) não
permanecem ligados aos núcleos dos átomos e, por isso, são móveis. Por essa
razão, são chamados de elétrons livres. Os metais podem facilmente ceder ou
receber elétrons livres dos átomos vizinhos e, ao fazerem isso, conduzem eletricidade.
A eletrização de dielétricos
�
Materiais que permitem com facilidade o trânsito de partículas portadoras de cargas elétricas são chamados de condutores.
Ligado ao tema
�
A matéria é constituída por diferentes tipos de agrupamentos de átomos,
que dão origem a estruturas moleculares complexas. Dependendo do material, pode ocorrer maior ou menor circulação de elétrons entre essas estruturas moleculares.
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A
B
Isolante com
Isolante polarizados
moléculas polares com moléculas
sem orientação.
orientadas.
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1
Carga elétrica
Exercícios resolvidos
10. Entre as torres e os
fios que conduzem
eletricidade existem
discos de cerâmica ou
de vidro, conforme se
observa na fotografia
a seguir.
Explicar a razão do uso
desses discos.
Resposta
A cerâmica e o vidro são isolantes à temperatura
ambiente. Sua função é evitar a troca de cargas
entre os fios e a torre.
11. Um tubo de determinado material isolante fica
eletrizado em uma de suas extremidades. Indicar
se é falsa ou verdadeira cada uma das afirmações a seguir.
a)A outra extremidade deverá estar eletrizada
também.
b)A outra extremidade poderá ou não estar eletrizada com carga oposta, se o material for
isolante.
c) Se o material for condutor, ele não poderá ser
eletrizado.
d)Se for isolante, o material nunca será eletrizado.
Resposta
a)Falsa, porque, em sendo o material isolante, as
partículas com cargas elétricas ficam fixas.
b)Verdadeira.
c) Falsa, pois qualquer material pode ser eletrizado.
d)Falsa, pois qualquer material pode ser eletrizado.
12. Sabe-se que:
a) água pura praticamente não conduz eletricidade;
b)água com açúcar praticamente não conduz
eletricidade;
c) água com sal (NaCº) conduz eletricidade.
Explicar as causas desses fatos.
Resposta
a)A água pura não conduz apreciavelmente a
eletricidade porque ela não contém elétrons
livres (não é sólida) e contém concentrações
muito baixas de íons.
b)Dissolvendo-se açúcar na água, a solução ainda
não é condutora porque o açúcar não produz
íons em solução, de modo que não há cargas
elétricas que possam ser transportadas.
c) Quando se dissolve sal de cozinha (NaCº) na
água, as moléculas do sal se dissociam, originando os íons Na1 e Cº2. Esses íons são portadores de carga elétrica, e, por isso, a água
passa a conduzir eletricidade.
Exercícios propostos
13. Identifique quais dos materiais a seguir são isolantes e quais são condutores. Para isso, releia o texto
sobre condutores e isolantes.
a)cobre
e)plástico
b)borracha
f) água salgada
c) ar
g)cerâmica
d)água pura
h)ouro
14. Verifique se cada uma das afirmações a seguir é
falsa ou verdadeira, corrigindo no caderno as que
estiverem erradas.
a)Não existem corpos eletrizados nas proximidades de um corpo polarizado.
b)É possível que haja metais cujos átomos estejam
polarizados.
c)Um corpo polarizado nunca é eletricamente neutro.
d)As moléculas de um corpo polarizado apresentam uma orientação espacial.
e)Um corpo carregado pode atrair ou repelir um
corpo neutro.
f) De acordo com o modelo atômico de Rutherford-Bohr, a condução de eletricidade nos materiais
ocorre somente devido ao fato de estes apresentarem elétrons livres em sua composição.
g)Um material de borracha apresenta uma grande
quantidade de elétrons livres.
15. Explique de que maneira um material isolante pode
atrair ou repelir um objeto, mesmo não tendo elétrons livres em sua estrutura atômica.
16. Uma pequena esfera de isopor, coberta de papel
alumínio, é suspensa por um fio de nylon. Em seguida, é atraída por um canudinho plástico negativamente carregado.
Pode-se afirmar com toda a certeza que a carga
elétrica da esfera é positiva? Ou ela também pode
ser neutra? Justifique.
17. Explique por que a parte externa do soquete para lâmpada apresentado ao lado é
feito de cerâmica, enquanto a maior parte da superfície interna é feita de metal.
18. Faça uma relação de situações de seu dia a dia nas
quais se pode perceber o uso de materiais isolantes como meio de prevenção de acidentes envolvendo eletricidade.
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3. Processos de eletrização
Um átomo é neutro quando nele há quantidades iguais de elétrons e prótons. Se houver excesso de uma dessas partículas, o átomo está eletrizado ou
carregado.
Para eletrizar um corpo, é necessário que ocorra um processo de transferência de partículas com carga elementar e entre dois ou mais corpos. No cotidiano, isso é feito retirando-se ou fornecendo-se elétrons (2) ao corpo. A
retirada de prótons do núcleo do átomo exige processos sofisticados e caros.
Um corpo neutro pode ser eletrizado de três maneiras: por atrito, por contato e por indução.
Eletrização por contato
Neste processo, é necessário que um dos corpos esteja previamente eletrizado, e o outro, neutro. Então, aproximam-se os corpos fazendo com que
ocorra o contato entre ambos. No instante do contato ocorre a transferência
de carga. Após esse contato, os corpos ficam com cargas de mesmo tipo do
corpo inicialmente eletrizado. Isto é, se o objeto previamente eletrizado tiver
carga negativa, com o contato, o corpo neutro também terá carga negativa.
Na eletrização por contato, os corpos adquirem cargas de mesmo sinal.
A seguir são apresentadas duas situações em que se eletriza um corpo A
inicialmente neutro, suspenso por uma haste feita de material isolante.
1a situação: contato com um condutor eletrizado negativamente
neutro
A
� ��
�
� B �
�
�� �
antes
Um corpo B, eletrizado
negativamente com
carga Q, é aproximado
do condutor neutro A.
e�
� �
�
�
�
A
B �
�
� �
�
e�
A
B
depois
durante
Ao entrar em contato
com A, parte do
excesso de elétrons
presentes em B será
transferida para A.
Depois que o contato é encerrado,
o condutor A, que recebeu elétrons,
fica eletrizado negativamente.
B continua eletrizado negativamente,
ainda que com menos elétrons.
2a situação: contato com um condutor eletrizado positivamente
neutro
A
�
�� �
�
� B �
�
��
antes
Um corpo B, eletrizado
positivamente com
carga Q, é aproximado
do condutor A.
�
A
B
�
�
�
A
� � �
B �
� �
durante
depois
Ao entrar em contato com
A, os elétrons livres deste
vão ser atraídos pelos
prótons de B e, no contato,
acabam sendo transferidos
para B.
Depois que o contato é
encerrado, o condutor A, que
perdeu elétrons, fica eletrizado
positivamente. B continua
eletrizado positivamente, ainda
que com mais elétrons.
Conceito em questão
Na eletrização por contato,
o corpo neutro se eletriza com
o mesmo sinal do corpo que o
eletrizará.
Se o corpo eletrizador (Q1)
e o eletrizado (Q2) forem esfé­
ricos, de mesmo material, e os
raios (R1 e R2) de suas esferas
forem diferentes, a razão entre
as quantidades de cargas dos
corpos (Q’1 e Q’2) após o conta­
to será proporcional aos seus
raios, ou seja:
R1
Q’1
​ ___  ​5 ___
​    ​ 
Q’2 R2
No caso particular de as es­
feras serem idênticas (com o
mes­mo raio e o mesmo tipo de
material), após o contato, os cor­
pos terão a mesma quantidade
de carga, então Q’A 5 Q’B. Pelo
princípio da conservação das
cargas:
QA 1 QB 5 Q’A1 Q’B
Fazendo Q’A 5 Q’B obtém-se:
QA 1 QB 5 2Q’B
Então
QA 1 QB
 ​ 
​ 
 
Q 5 Q’A 5 Q’B 5 ________
2
Isso significa que, se os cor­
pos forem idênticos, sendo um
deles neutro, no final cada qual
terá metade da quantidade de
carga total que havia antes do
contato.
A
B
Q
2
Q
2
Imagine que haja três esfe­
ras idênticas trocando cargas;
duas delas neutras e uma ele­
trizada com carga Q. Qual será
a razão entre as cargas após o
contato?
17
EMF3_LA_U01_C01_008A033.indd 17
23.10.09 14:10:27
1
Carga elétrica
Exercícios resolvidos
19. Duas esferas condutoras idênticas A e B, inicialmente neutras, são colocadas em contato uma
de cada vez com uma esfera C, idêntica às anteriores e previamente eletrizada com carga 10 q.
Determinar a carga final de A, B e C.
Resposta
1a situação: contato de QC com QA.
Se as esferas são idênticas, então:
0 1 10 q
QA 1 Q’C ________
 ​ 
5 ​ 
 ​ 
55q
Q’A 5 Q’C 5 ________
​ 
 
 
2
2
a
2 situação: contato de Q’C com QB.
015q
QB 1 Q’C ________
 ​ 
5 ​ 
 ​ 
Q’B 5 Q”C 5 ​ ________
 
 5 2,5 q
2
2
Portanto, Q’A 5 5 q; Q’B 5 2,5 q e Q”C 5 2,5 q.
20.Determinar a carga final após o contato de duas
esferas condutoras A e B de raios ra 5 2 cm e
rb 5 4 cm sabendo que, no início, a quantidade de
carga dessas esferas era QA 5 12 q e QB 5 0.
Resposta
Quando as esferas têm raios diferentes, sabe-se
que:
Q’1 R1
Q’A 2
___
​    ​.  Portanto: ​ ___ ​ 5 ​ __  ​Æ Q’B 5 2Q’A.
​   ​  5 ___
Q’2 R2
Q’B 4
De acordo com o princípio da conservação das
cargas:
QA 1 QB 5 Q’A 1 Q’B
Portanto:
QA 1 QB 5 3Q’A Æ 12 q 1 0 5 3Q’A Æ Q’A 5 4 q
e Q’B 5 8 q
21. Duas esferas metálicas idênticas, inicialmente
eletrizadas com cargas Q1 5 5 mC e Q2 5 21 mC,
são colocadas em contato durante certo intervalo de tempo, atingem o equilíbrio eletrostático e, depois, são separadas. Ao término do processo, têm-se os seguintes valores de cargas:
Q1 5 2,5 mC e Q2 5 1,5 mC. Calcular a quantidade
de carga perdida pela esfera 2 durante o contato.
Resposta
Como a esfera 2 terminou o processo com carga
de 1,5 mC, pode-se deduzir que ela perdeu o que
tinha de elétrons em excesso (sua carga inicial
era de 21 mC), além de ter perdido mais 1,5 mC
de elétrons, até ficar eletrizada positivamente.
Portanto, ela perdeu 2,5 mC, que é exatamente a
quantidade de carga que a esfera 1 ganhou (por
isso, a carga 1 ficou com 2,5 mC no final).
Exercícios propostos
22.Uma esfera A condutora, previamente eletrizada, é co­
locada em contato sucessivamente com três esferas
B, C e D, inicialmente neutras, todas idênticas. Saben­
do que a quantidade de carga da esfera A é QA 5 12 q,
determine a carga de cada esfera após o contato.
26.Em um curso de montagem de computadores, o
instrutor orienta os alunos sobre os cuidados a
tomar quanto à eletricidade estática. A fotografia
abaixo mostra um indivíduo manuseando um disco rígido (HD) de um computador.
23.Três esferas condutoras idênticas estão eletrizadas, respectivamente, com QA 5 25 q, QB 5 7 q e
QC 5 9 q. Coloca-se inicialmente A em contato com
B, depois com C e, por fim, novamente com B.
a)Calcule a carga final de A.
b)Se a ordem do contato fosse alterada, ou seja, se
se fizesse a esfera A tocar inicialmente em C, depois em B e finalmente em C, a carga de A teria
o mesmo valor no final?
Justifique, usando de seus conhecimentos, por que
um procedimento está correto, e o outro não está.
24.Duas esfera condutoras de raios rA 5 6 cm e
rB 5 2 cm e eletrizadas com QA 5 5 q e QB 5 7 q são
colocadas em contato entre si.
a)Determine a carga de final de A e de B.
b)Calcule o número de prótons em excesso no corpo B. Admita q 5 3,2 pC. (1 pC 5 10212 C)
25.Considere dois condutores iguais, sendo um deles
neutro, e o outro, eletrizado positivamente. Explique como ocorre o processo de transferência de
elétrons quando há o contato entre os corpos.
27. Considere os seguintes dados: massa de um elétron 5 me 5 9,1 ? 10231 kg; massa de um próton 5
5 mp 5 1,7 ? 10227 kg.
a)Caso um corpo neutro passe a ficar eletrizado
negativamente, pode-se dizer que ele terá ganho de massa, perda, ou ficará com a mesma
massa que tinha quando neutro? Justifique.
b)Caso um corpo neutro passe a ficar eletrizado
positivamente, pode-se dizer que haverá ganho,
perda, ou conservação da massa inicial, quando
o corpo estava neutro? Justifique.
18
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20.10.09 14:59:09
Eletrização por atrito
Ao atritar um corpo (papel, lã, algodão, etc.) em outro corpo (régua plástica, caneta, bastão de vidro, etc.) pode haver transferência de elétrons entre
eles, enquanto são atritados. Após o término, um dos corpos fica com excesso
de prótons por ter cedido elétrons, ficando, assim, eletrizado positivamente.
O outro fica com excesso de elétrons, por ter recebido essas cargas, ficando
carregado negativamente.
Na eletrização por atrito, os corpos adquirem cargas de sinais opostos.
�
Pele humana
Vidro
Nylon
Lã
Papel
Algodão
Âmbar
Borracha
Cobre
Isopor
Para determinar qual corpo terá carga positiva ou negativa, deve-se consultar a série tribo-elétrica (ver esquema abaixo), construída empiricamente pelos físicos.
�
Segundo essa série, podem-se fazer algumas afirmações.
Os corpos ficam eletrizados positivamente quando são atritados em corpos
feitos de materiais que estiverem à esquerda deles, na série.
ƒƒ Os corpos ficam eletrizados negativamente quando são atritados nos corpos feitos de materiais que estiverem à direita deles, na série.
Assim, se um material inicialmente neutro, composto de algodão, for atritado no vidro, também inicialmente neutro, ficará carregado negativamente,
enquanto o vidro ficará carregado positivamente.
De acordo com o modelo atômico de Rutherford-Bohr, a eletrização por
atrito ocorre porque os elétrons dos materiais que estão mais fracamente ligados aos núcleos serão transferidos para o outro material. Se um material de
cobre for atritado com um pedaço de papel, os núcleos dos átomos de cobre
vão se aproximar muito dos elétrons do papel. Essa aproximação fará com
que os elétrons do papel sejam atraídos para o cobre.
Ainda no que se refere à eletrização por atrito, é importante considerar os
seguintes fatos.
ƒƒ Nem sempre é possível eletrizar dois corpos por atrito. Ao se atritarem, por
exemplo, corpos de mesmo material, não irá ocorrer transferência de elétrons entre eles.
ƒƒ Na eletrização por atrito de objetos isolantes, o excesso de cargas permanece localizado na região do corpo onde ocorre o atrito. Isso ocorre
porque não há elétrons livres em sua composição atômica.
ƒƒ Ao eletrizar condutores por atrito, as cargas se distribuem por toda a sua
superfície. Isso ocorre porque as cargas elétricas repelem-se entre si e, por
isso, ficam o mais distante possível umas das outras.
ƒƒ Se for desejável manter um objeto eletrizado, será necessário prendê-lo com
um material isolante. Caso contrário, todas as cargas serão transferidas para
o material que prende o objeto eletrizado, de maneira que haverá uma rápida neutralização. Ademais, se o material que ­prende o objeto for um condutor e estiver em contato com a terra por meio de um fio ou de uma pessoa
que o segura, haverá um rápido escoamento das cargas para a terra. Esse
cuidado deve ser tomado para todos os objetos eletrizados, ou por atrito, ou
por qualquer outro processo.
Ligado ao tema
Eletrização por atrito
na indústria
Nas tecelagens, o movimento dos tecidos nas máquinas
ocasiona um atrito entre as partes do tecido e dos cilindros metálicos, de maneira que ambos
ficam eletrizados. Essa eletrização é perigosa, pois o descarregamento das peças eletrizadas
pode gerar faíscas e ocasionar
incêndios.
Para evitar o risco de acidentes, são instalados nebulizadores, aparelhos que aumentam a
umidade do ambiente, lançando pequenas gotas de água no
ar. Essas gotículas, quando em
contato com as peças eletrizadas, neutralizam os corpos que
tenham cargas em excesso.
ƒƒ
19
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20.10.09 14:59:10
1
Carga elétrica
Exercícios resolvidos
28.Um borrifador (esquema ao lado) é usado
para pulverizar óleo
dentro de um recipiente eletricamente
isolado. Antes de serem lançadas no interior do recipiente,
as gotas passam por
A
um duto que faz par- B
te do borrifador e entram em atrito com as paredes desse duto. Com isso, ficam eletrizadas com
carga positiva.
a)Identificar o sinal das cargas das paredes do
borrifador após o atrito. Justificar.
b)Sabendo que, no interior do recipiente, existem
dois corpos A e B previamente eletrizados com
cargas opostas e que, durante a queda, as gotas
são atraídas para o corpo A e repelidas pelo corpo B, determinar o tipo de carga do corpo B.
c) Sabendo que uma das gotas apresentou carga
igual a 6,4 ? 10219 C, determinar o número de elétrons transferidos por essa gota para as paredes
do borrifador durante o atrito.
Resposta
a)No final do processo de eletrização por atrito,
os corpos atritados apresentam cargas de sinais opostos. Portanto, as paredes do borrifador ficaram eletrizadas com carga negativa.
b)Como as gotas de óleo são repelidas pelo corpo
B, e cargas iguais se repelem, então o corpo B
tem carga de mesmo sinal que a das das gotas,
ou seja, tem cargas de sinal positivo.
c) Dados: Q 5 6,4 ? 10219 C e e 5 1,6 ? 10219 C.
6,4 ? 10219
Q
Q 5 n ? e Æ n 5 __
​ e ​  Æ n 5 _________
​ 
 ​ 
Æ
1,6 ? 10219
Æ n 5 4 elétrons
29. No período do inverno, quando a umidade do ar diminui em algumas regiões do país, podem-se ouvir
alguns estalos quando uma pessoa vestida com um
casaco de lã resolve tirá-lo. Explicar esse fenômeno.
Resposta
O casaco de lã entra em contato com a pele da
pessoa e, por isso, fica eletrizado. Pode haver,
então, transferência de cargas elétricas entre o
casaco e a pele da pessoa. Essa troca é percebida
pelos estalos. Em climas úmidos, o vapor de água
presente no ar neutraliza o excesso de cargas elétricas do casaco de lã antes que a pessoa o tire.
Exercícios propostos
30.É possível a uma pessoa manter eletrizada uma
barra de metal depois de atritada, segurando-a diretamente com as mãos e estando com os pés diretamente em contato com o solo? Em caso negativo,
apresente uma sugestão para que a eletrização se
mantenha por mais tempo.
31. Em tempos secos, ocorrem mais frequentemente
acúmulos de cargas elétricas, ou seja, os objetos ficam eletrizados por mais tempo. Como consequên­cia,
nessa época é mais comum ocorrerem pequenos choques elétricos quando se abre a porta de um carro, ou
si­tuações em que os cabelos de uma pessoa arrepiam-se quando próximos de determinados objetos.
a) Descreva como se dá o acúmulo de cargas nos
carros.
b)Andar descalço favorece a descarga de cargas
elétricas acumuladas. Explique: o que significa
essa descarga; por que andar descalço favorece
a “descarga elétrica”.
32.Atrita-se uma borracha escolar em um pedaço de
papel. A borracha fica eletrizada negativamente e
é aproximada de um papel-alumínio eletricamente
neutro, muito leve e suspenso por uma haste isolante. Inicialmente, a borracha atrai o papel-alumí-
nio, até que ambos entram em contato. Depois do
contato, passam a repelir-se mutuamente.
a)Identifique o sinal das cargas elétricas presentes na borracha e no papel em que foi atritada
depois da eletrização.
b) Explique por que a borracha e o papel-alumínio passam a repelir-se após a eletrização por contato.
c) Faça um esquema mostrando os sinais das cargas antes, durante e depois da eletrização por
contato. Nesse esquema, não se esqueça de representar em que sentido ocorre a transferência
de elétrons: da borracha para o alumínio ou do
alumínio para a borracha.
33.Dois objetos compostos unicamente por plástico
são atritados entre si. Após o atrito, eles ficarão
eletrizados? Justifique.
34.Responda se cada uma das afirmações a seguir é
falsa ou verdadeira e justifique sua resposta.
a)Na eletrização por atrito entre dois corpos neutros, a carga final apresentará sinais opostos
para cada um deles.
b) Na eletrização por atrito, desorganiza-se a estrutura atômica dos materiais, podendo ocorrer transferência de prótons entre eles.
20
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22.10.09 13:54:45
Eletrização por indução
O que é indução eletrostática
É possível haver eletrização de um corpo neutro sem que ocorra atrito ou
contato. Quando há a aproximação de um condutor eletrizado próximo de um
neutro, ocorre uma separação de cargas no corpo neutro.
A separação de cargas em um condutor devido à aproximação de um corpo
eletrizado é denominada indução eletrostática.
Durante uma indução eletrostática, há o indutor (que pode ser um
condutor previamente eletrizado) e o induzido, condutor no qual haverá
a separação de cargas.
Aproximando os condutores sem que haja contato, ocorre um movimento
de cargas dentro do induzido.
elétrons
� ��
�
�
� � � � � ��
� � ��
� �
induzido
indutor
Se o indutor estiver carregado com
carga negativa, haverá repulsão nos
elétrons livres do induzido, de modo
que estes se deslocarão para a região
mais afastada, deixando a região mais
próxima do indutor com carga positiva.
indutor
�
��
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�
�
�
�
elétrons�
�
�
�
�
��
�
induzido
Se o indutor estiver carregado com carga
positiva, irá atrair os elétrons livres do
induzido, provocando nele a separação de
cargas. No lado oposto, ficará concentrada
uma quantidade maior de cargas positivas.
Como ocorre a eletrização por indução
A seguir são apresentadas duas situações com indução eletrostática em que é colocado um fio no condutor, ligando-o ao solo. Ocorrerá, então, um aterramento.
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A
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��
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B
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�
�
�
Nesta situação, aproxima-se um indutor
eletrizado negativamente (esfera A),
provocando uma separação de cargas no
corpo neutro (esfera B), que será o induzido.
� � �
�
�
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�
A
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� �
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� fluxo de
� elétrons
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�
solo
B
Ligando-se o induzido ao solo, alguns
de seus elétrons serão repelidos pelas
cargas negativas do indutor e descerão
para a terra pelo fio.
� � �
�
�
�
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�
�
�
�
A
�
� �
�
�
�
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�
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��
� �
Nesta situação, aproxima-se um indutor
(esfera A) eletrizado positivamente,
provocando uma separação de cargas no
corpo neutro (esfera B), que será o induzido.
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�
� �
A
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� �
�
�
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��
�
�
B
Na região do induzido oposta à do indutor,
ficarão os prótons. Estes, então, atrairão
os elétrons da terra, que subirão pelo fio.
�
B
�
�
�
� fluxo de
�elétrons
�
�
solo
�
�
�
B
�
Detectores eletrostáticos
São aparelhos usados para
detectar se um corpo está eletrizado ou não.
O eletroscópio
de folhas (fotografia ao lado) é
um deles. É constituído por duas
lâminas metálicas delgadas que,
por meio de uma
haste metálica,
se ligam a uma
esfera condutora.
Ao aproximar um objeto eletrizado da esfera do eletroscópio, suas lâminas metálicas
afastam-se uma da outra. Isso
ocorre porque a presença do
corpo eletrizado próximo da
esfera metálica induz uma movimentação de cargas no eletroscópio, fazendo aumentar a
quantidade de cargas de mesmo
sinal nas lâminas. Com isso, surge uma força de repulsão que
faz com que estas se afastem.
isolante
���
C
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metal
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B
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Ligado ao tema
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�
�
Após a retirada do fio, o induzido fica
eletrizado positivamente, porque perdeu
elétrons.
Ao retirar o fio, o induzido ficará
eletrizado negativamente, porque recebeu
elétrons.
Por meio dos exemplos, pode-se concluir que, no final de uma eletrização
por indução, os corpos envolvidos adquirem cargas de sinais opostos.
�
�
�
�
�
�
Representação esquemática da
movimentação de cargas elétricas
em um eletroscópio de folhas.
Se o eletroscópio estiver
com as lâminas totalmente fechadas, o corpo que se aproxima do aparelho estará neutro.
Se suas lâminas permanecerem
afastadas uma da outra sem a
presença de um corpo eletrizado nas proximidades, o eletroscópio estará eletrizado.
21
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21.10.09 14:14:37
1
Carga elétrica
Exercício resolvido
35.Dispõe-se de dois eletroscópios de folhas. No primeiro, chamado de eletroscópio A, suas folhas
se fecham ligeiramente quando se aproxima dele
um indutor de carga positiva. No segundo eletroscópio, chamado de B, as folhas se abrem à
medida que o indutor carregado positivamente
se aproxima dele. Explicar o comportamento de
cada eletroscópio por meio do modelo atômico
de Rutherford-Bohr.
eletroscópio A
eletroscópio B
Resposta
O sinal da carga do indutor (bastão de vidro) é
o que determina o sentido do fluxo de elétrons.
Como a carga do indutor é positiva, os elétrons são
atraídos da terra para a esfera.
37. Três esferas condutoras metálicas não eletrizadas A, B e C são colocadas em contato entre si,
conforme a figura abaixo. Aproxima-se um quarto condutor, eletrizado negativamente, inicialmente pela esquerda e, a seguir, pela direita.
�
�
�
�
�
A
B
C
Representar a distribuição de cargas nas esferas
ao aproximar o indutor nos dois casos.
Resposta
O que faz as folhas de um eletroscópio permanecerem abertas, repelindo-se, é o excesso de
carga de mesmo sinal em cada uma das folhas.
Quando um indutor se aproxima do induzido (eletroscópio), as cargas do induzido, de mesmo sinal
do indutor, são repelidas e, por isso, afastam-se o
máximo possível e se alocam nas extremidades
das folhas. Como as folhas têm o mesmo sinal,
elas se afastam uma da outra.
As folhas de A fecham-se um pouco depois da
aproximação do indutor porque o eletroscópio
deve estar eletrizado negativamente. A aproximação do indutor com cargas positivas atraiu
parte das cargas elétricas negativas que estavam
nas folhas do eletroscópio. Com isso, diminuiu-se
a força de repulsão entre elas.
As folhas de B se afastam mais depois da aproximação do indutor, carregado positivamente,
porque este atrai as cargas negativas do eletroscópio. Com isso, aumentará o excesso de cargas
positivas nas folhas e, assim, haverá um aumento
da força de repulsão entre elas.
36.Aproxima-se de uma esfera condutora neutra um
bastão de vidro positivamente eletrizado. Depois,
liga-se um cabo condutor da terra à esfera. Explicar o sentido do fluxo de elétrons.
Resposta
Ao aproximar o indutor eletrizado negativamente pela esquerda, a esfera A, mais próxima do
condutor eletrizado, passará a ter carga positiva, pois suas cargas negativas são repelidas.
A esfera C passará a ter carga negativa, pois é a
esfera que se encontra mais afastada do condutor eletrizado. A esfera B estará neutra, pois está
entre A e C, e as suas cargas serão igualmente
atraídas e repelidas, conforme o esquema mostrado a seguir.
�
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� � A
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B
C
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Ao aproximar o indutor eletrizado negativamente
pela direita, a esfera A, mais distante do condutor
eletrizado, passará a ter carga negativa, pois suas
cargas positivas são atraídas pelo indutor. A esfera C passará a ter carga positiva, pois é a esfera
que se encontra mais próxima do condutor eletrizado. A esfera B estará neutra, pois está entre A e
C, e as suas cargas serão igualmente atraídas e repelidas, conforme o esquema mostrado a seguir.
�
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� A
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B
C
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Exercícios propostos
38.Aproxima-se de um eletroscópio uma esfera eletrizada positivamente. A seguir, aterra-se o eletroscópio,
cessa-se o aterramento e afasta-se a esfera. Desenhe um esquema que represente como ficarão as folhas no final do processo e a distribuição de cargas.
39.Atrite um pente no cabelo. Abra uma torneira deixando sair um filete de água. Aproxime o pente
do filete. Descreva o que você observa e proponha
uma explicação para o fenômeno observado.
22
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21.10.09 14:14:37
Raios, relâmpagos e trovões
As nuvens de chuva, em geral, estão eletrizadas. A eletrização das nuvens ocorre, basicamente, por duas razões: devido às colisões das partículas de
gelo acumuladas em seu interior, ou pela diferença de condutividade elétrica
do gelo ocasionada pela variação de temperatura no interior da nuvem. Em
qualquer desses processos, as partículas de gelo perdem elétrons e se transformam em íons. Isso torna a nuvem eletricamente carregada.
A eletrização das nuvens de chuva torna possível a ocorrência de descargas elétricas entre duas nuvens eletrizadas ou entre as nuvens e a terra. Essas
descargas elétricas entre nuvens carregadas ou entre as nuvens e a terra são
chamadas de raios.
Os raios costumam ocorrer acompanhados de relâmpagos, que são emissões de luz visível devido à ionização das moléculas do ar que estão entre a
superfície e a nuvem no momento da descarga elétrica. O relâmpago torna
visível a descarga elétrica, cuja trajetória irregular é ramificada, e com altura,
muitas vezes, de muitos quilômetros de distância até a terra.
Além dos relâmpagos, os trovões ocorrem juntamente com os raios. Trovões são ondas sonoras de grande intensidade provocadas por um aumento
de pressão das moléculas do ar. Esse aumento de pressão se deve à rápida expansão dos gases presentes no ar, causada pelo grande aquecimento ocasionado por uma descarga elétrica.
A seguir são apresentadas duas situações em que ocorrem raios.
Nuvem carregada positivamente:
descarga elétrica do solo para a nuvem
�
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�
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��
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� � ��
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�
Nuvem carregada negativamente:
descarga elétrica da nuvem para o solo
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sentido do
movimento
dos elétrons
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Conceito em questão
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�
� �
�
��
�
�
� � �
�
� � �
sentido do
movimento
dos elétrons
�
�
Fotografia de um raio atingindo o
para-raios do Congresso Nacional,
em Brasília (DF).
Caso a nuvem esteja carregada
positivamente, os elétrons da superfície
serão atraídos pelas cargas positivas da
nuvem e subirão em direção ao pararaios, onde se concentrarão fortemente.
A grande concentração de cargas elétricas
positivas na nuvem e negativas no pararaios fará com que o ar entre o para-raios
e a nuvem se torne um condutor. Então,
uma descarga elétrica pode saltar do pararaios para a nuvem. Ocorre, assim, um raio
da superfície para a nuvem.
Caso a nuvem esteja carregada
negativamente, os elétrons da nuvem
repelirão as cargas elétricas negativas do
para-raios, e isso faz com que os elétrons se
desloquem para a superfície, causando uma
grande concentração de cargas positivas
no para-raios. A grande concentração de
cargas elétricas negativas na nuvem e
positivas no para-raios fará com que o ar
entre o para-raios e a nuvem se torne um
condutor. Então, uma descarga elétrica
pode saltar da nuvem para a terra. Assim,
ocorre um raio da nuvem para a superfície.
Estas descargas elétricas são favorecidas quando as nuvens estão próximas a
superfícies pontiagudas ou quando se está em lugares mais altos, próximos a nuvens. A explicação para a maior incidência de raios em superfícies pontiagudas
deve-se ao chamado poder das pontas, fenômeno no qual se percebe maior
acúmulo de cargas elétricas nas extremidades pontiagudas dos objetos.
Na instalação e fabricação dos
para-raios, utilizam-se dois conhecimentos acerca dos raios: o
fato de que objetos pontiagudos
os atraem (poder das pontas) e o
fato de lugares mais altos facilitarem a descarga elétrica.
Assim, ao serem colocados
no alto dos prédios, os para-raios
atraem os raios e os conduzem
para a terra, evitando que atinjam seres vivos e instalações.
Dê exemplos de outras situa­
ções do cotidiano em que se
empregam conhecimentos sobre raios.
23
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21.10.09 14:14:45
1
Carga elétrica
Exercícios resolvidos
40.É dada a fotografia a seguir.
Estabelecer uma relação entre o local em que os
animais foram mortos e o risco de ocorrer descargas elétricas.
Doze reses
mortas por um
único raio, em
uma descarga
elétrica ocorrida
em 2004, no
município de
Miracema do
Tocantins, TO.
Resposta
Em locais abertos como pastagens, as árvores
costumam ser os pontos mais elevados, ou seja,
mais próximos da nuvem eletrizada. Essa característica faz com que a região em seu entorno
seja a de maior probabilidade de ocorrência de
raio, pois a árvore será um condutor, que aproximará as cargas entre o solo e a nuvem. As reses
estavam próximas à arvore e foram atingidas pela
descarga elétrica porque esta se distribui radialmente pelo solo, causando riscos aos seres vivos
que estiverem ao redor do objeto condutor.
41. Considerar o processo de funcionamento do
para-raios para responder às questões a seguir.
a)Explicar por que apresentam extremidades
pontiagudas.
b)Descrever como são conduzidas as cargas elétricas entre a terra e a extremidade superior
do para-raios.
c) Explicar por que o cabo condutor que liga a extremidade superior do para-raios à terra deve
ser preso a uma estrutura da construção por
meio de materiais isolantes.
Resposta
a) A extremidade pontiaguda do para-raios tem a
finalidade de aumentar a concentração de cargas (poder das pontas) e, ao fazer isso, ioniza o
ar que está ao seu redor, favorecendo a ocorrência de raios nesse local.
b)Quando ocorre um raio, as cargas são conduzidas da extremidade pontiaguda, através de um
cabo condutor, até uma haste de cobre enterrada no chão. Haverá, então, transferência de elétrons das cargas para o solo.
c) O cabo condutor deve ser preso à estrutura da
construção por meio de isolantes para evitar a
troca de cargas.
42.A área de proteção coberta por determinado
para-raios corresponde
60°
h
ao volume de um cone,
sendo que a ponta fica
r � 1,7h
no vértice deste e o ângulo formado entre a geratriz e o eixo vertical do cone é de 60°, ou seja, o
raio de proteção é equivalente a 1,7 vez a altura da
haste. Tudo que estiver dentro do espaço abrangido
por esse cone estará, teoricamente, protegido.
Determinar a área da superfície do solo protegida
por um para-raios, cuja ponta esteja localizada a
uma altura de 10 m em relação ao solo.
Resposta
A superfície coberta pelo para-raios é a própria
área da base do cone, que é uma circunferência
cujo raio é 1,7 h.
Calculando o raio e a área, obtém-se:
r 5 1,7 ? 10 Æ r 5 17 m
A 5 p ? r2 Æ 3, 14 ? (17)2 Æ A 5 907,46 m2
Exercício proposto
43.Para evitar acidentes com raios durante as tempestades são feitas as recomendações apresentadas a seguir.
I.Procurar abrigo em prédios equipados com para-raios, ou em áreas subterrâneas, como metrô
e túneis.
II.Não empinar pipas.
III.Evitar topos de morros e áreas abertas, como
campos de futebol e de golfe e praias.
IV.Não se aproximar de cercas de arame, varais
metálicos ou trilhos, assim como de estruturas
altas, como torres de linha telefônica.
V.Não estacionar perto de árvores, que atraem os
raios. Também evitar a proximidade com linhas
de transmissão de energia elétrica.
Indique no caderno a alternativa falsa e justifique
sua escolha.
a)Em campos de futebol, as descargas elétricas
têm maior possibilidade de atingir pessoas, por
serem elas os pontos mais altos do lugar e, consequentemente, atuarem como para-raios.
b)As cercas de arame são condutoras, por isso
conduzem as cargas elétricas a uma pequena
distância, apresentando risco moderado.
c) As pipas permitem a troca de cargas com a terra
quando se aproxima a chuva.
d)Os para-raios são feitos com material isolante,
portanto, não permitem a troca de cargas com
as construções.
24
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4. Mais partículas elementares
Os filósofos gregos diziam que o átomo era a unidade indivisível da matéria. O modelo de Rutherford-Bohr afirmou que o átomo é composto por estruturas ainda menores – as partículas elementares. O quadro a seguir apresenta algumas propriedades das partículas elementares propostas.
Partícula
Símbolo
Carga
Massa
elétron
e2
21,6 ? 10219 C
9,1094 ? 10231 kg
próton
​p​ ​
C
1,6726 ? 10227 kg
nêutron
n
zero
1,6749 ? 10227 kg
fóton*
g
zero
zero
1
219
11,6 ? 10
*Fótons são “pacotes minúsculos de energia” sem massa, estudados no volume 2 desta coleção.
Observação: Novos experimentos levaram os físicos a concluir que havia
outras partículas além dessas previstas pelo modelo atômico de Rutherford-Bohr. Hoje se sabe que há mais de duzentas dessas partículas. A razão para
que se tenha demorado tanto a descobri-las se deve ao fato de elas terem um
tempo de vida muito curto. A maioria se desintegra rapidamente e se transforma em partículas mais estáveis, como prótons, elétrons e nêutrons.
Cada uma dessas partículas tem carga nula ou cargas múltiplas da carga
elementar (e). Durante a transformação de uma partícula em outra, o princípio da conservação da carga continua válido.
A seguir é apresentada uma situação em que se pode perceber a transformação de uma partícula em outra e o quanto é rápida a duração de vida de
algumas partículas. Tem-se um fóton (carga nula) que, ao interagir proximamente com o núcleo do átomo transforma-se em duas partículas: um elétron
de carga negativa (e2) e um pósitron de carga positiva (e1), com a mesma
massa de um elétron. A quantidade total de carga permanece nula antes e depois da transformação (já que e2 1 e1 5 0).
e�
e�
�
(antes)
(depois)
Esquema ilustrando um fóton sendo
transformado em duas novas partículas: um
pósitron e um elétron. Além da conservação
da carga (já mencionada), pode-se observar a
transformação de energia em massa (objeto de
estudo mais adiante).
Ligado ao tema
Thomson e a descoberta
do elétron
O físico inglês Joseph John
Thomson, trabalhando com raios
catódicos (raios que continham
cargas elétricas), notou que estes eram desviados quando submetidos à eletricidade.
Esses raios eram emitidos
em um tubo em cujo interior se
produziu um vácuo e se colocaram dois eletrodos. Em um deles, chamado cátodo, ocorria a
emissão de elétrons, que eram
acelerados até alcançar o outro
eletrodo (o ânodo). Ao longo da
trajetória dessas cargas elétricas entre os eletrodos, havia
placas defletoras que poderiam
desviá-las.
Thomson percebeu que os
desvios dependiam de três
coisas: da massa da velocidade e das cargas das partículas. Ao estudar essas variá­veis,
concluiu que os raios catódicos eram, de fato, formados
por partículas muito menores
e mais leves do que os átomos
e com carga negativa. A essas
partículas chamou de elétrons.
Com esse experimento, Thomson determinou a relação carga/massa do elétron, trabalho
que lhe rendeu o prêmio Nobel
de Física em 1906.
Pósitrons têm vida curta, pois, assim que um deles encontra e colide
com um elétron, ambos se fundem, transformando-se em um novo fóton, com
carga nula.
Quarks
Em 1964, diante da profusão de descobertas de novas partículas elementares, foi proposto pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig que muitas
dessas partículas elementares poderiam ser constituídas por partículas ainda
menores chamadas de quarks. É o caso das partículas mais pesadas, chamadas de hádrons, como prótons e nêutrons. Além dos quarks há os léptons,
nome dado às partículas leves como elétrons, pósitrons, neutrinos, etc., que
podem realmente ser consideradas partículas elementares.
Sabe-se que há seis tipos de quark (tabela ao lado). Cada quark apresenta carga elétrica que é uma fração da carga elementar. É pela combinação dos
diversos tipos de quark que são formadas todos os hádrons. O próton, por
exemplo, é formado por três quarks, o que faz com que a sua carga total seja
igual a 11e.
1 ​
4 
1  ​e 1 __
______
​ 2 ​ e 1 __
​ 2 ​ e 5 ​ 21
 e 5 11e
2​ __
3
3
3
3
Quarks
Nome
Símbolo
Carga
up
u
2
__
​   ​ 
3
down
d
1
2​ __  ​ 
3
charm
c
2
​ __ ​ 
3
strange
s
1
2​ __  ​ 
3
top
t
2
​ __ ​ 
3
bottom
b
1
2​ __  ​ 
3
Tabela com os seis tipos de quark.
25
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23.10.09 14:14:58
1
Carga elétrica
Exercícios resolvidos
44.Para um corpo tornar-se eletrizado é necessário haver a transferência de elétrons entre corpos. Explicar por que a eletrização dos corpos
não ocorre pela transferência de prótons.
Resposta
A energia envolvida no processo de retirada de
prótons do núcleo atômico é muito grande, o
que torna esse processo inviável no cotidiano.
O número atômico, ou seja, número de prótons,
é o que caracteriza a substância. Alterando-se
o número de prótons, altera-se a substância.
Retirando-se três prótons do núcleo do chumbo, este se transforma em ouro. Esse processo
se chama transmutação. Como a matéria não sofre transmutação na troca de cargas, conclui-se
que as partículas que são transferidas entre os
corpos são elétrons.
46.O esquema a seguir mostra um tipo de transformação que ocorre com um nêutron. Essa transformação pode ser representada pela ex­pressão
_
_
​  , em que ​​  representa uma parn é p1 1 e2 1 ​
tícula chamada de antineutrino. Sabendo-se que
a carga elétrica é conservada, determinar qual
deve ser a carga do antineutrino.
nêutron
n
próton
p
elétron e�
ô
antineutrino
Resposta
Como o nêutron tem carga nula, então, após a
sua transformação, a carga total também deve
ser nula. Assim, tem-se:
_
_
_
​  Æ y​
​  5 0
0 5 1e 1 (2e) 1 y​
​  Æ 0 5 0 1 y​
Logo, o antineutrino tem carga nula.
45.Uma balança de grande resolução consegue registrar a variação de massa em gramas de até
1 unidade na quinta casa após a vírgula. Uma
substância neutra, ao ser eletrizada, transferiu
cargas de maneira que a balança indicou a menor variação de massa possível. Determinar o
número mínimo de elétrons transferidos. Dado:
massa do elétron 9,1 ? 10231 kg 5 9,1 ? 10228 g.
47. Um nêutron é formado por um quark u e dois
quarks d. Demonstrar que é por essa razão que
sua carga é nula.
Resposta
A menor quantidade de carga que a balança pode registrar é 1025 g. O número mínimo
necessário de elétrons para essa variação de
massa é:
Dmassamín
​ massa
 
 ​ 
Æ no elétrons 5​
no elétrons 5 __________
elétron
25
10
   ​ 
Æ no elétrons 5 1,1 ? 1022
5 _________
​ 
9,1 ? 10228
Resposta
Consultando a tabela da página anterior, tem-se:
1
2
u 5 __
​   ​   e d 5 2​ __  ​ 
3
3
Portanto, a carga do nêutron é dada por:
n5u1d1d
2
1
1
n 5 __
​   ​ 1 ​ 2__
​    ​   ​1 ​ 2__
​    ​   ​Æ n 5 0
3
3
3
(  ) (  )
Exercícios propostos
48.Pode-se dizer que prótons, elétrons e nêutrons são
as únicas partículas existentes no mundo atômico?
Justifique.
49.Verifique se as afirmativas são falas ou verdadeiras e justifique as suas respostas.
a)Os elétrons podem ser considerados partículas
elementares.
b)Os prótons e os nêutrons não são partículas
elementares, pois são constituídos por partículas
menores ainda.
c) O nêutron é uma partícula composta por dois
quarks up e um quark down, por isso apresenta
carga neutra.
d)Os quarks são partículas elementares que
apresentam carga positiva fracionária.
e)Os elétrons são partículas elementares que
apresentam carga fracionária.
50.Explique se é possível haver um íon positivo com
o mesmo número atômico de um átomo neutro.
51. A mesma interação que ocorre entre o núcleo e os
elétrons mantém unidos os átomos que formam
as moléculas de um corpo. Discuta com seu colega quais seriam as consequências se fosse possível
desfazer essa interação.
52.Determine a carga de cada uma das seguintes partículas elementares, sabendo que a barra sobre os
símbolos denota um antiquark, cuja carga tem o sinal oposto ao da carga do quark original.
a)lambda 5 u 1 d 1 s __
__
__
​  1 d​
​ __
 
b)antipróton 5 u​
​  1 u​
__
__
c) antinêutron 5 u​
​  1 u​
​  1 d​
​ 
d)sigma zero 5 u 1 d 1 s
e)lambda c-mais 5 u 1 d 1 c
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Exercícios complementares
Carga elétrica
53.Relacione as principais características de uma carga elétrica.
54.Dois corpos metálicos A e B, neutros e confinados
em um sistema eletricamente isolado, trocam cargas entre si. Do corpo A foram retirados 20 ? 1014
elétrons, transferidos para o corpo B.
a)Determine a quantidade de carga do corpo B.
b)Após a transferência de elétrons entre esses
corpos, explique se haverá atração ou repulsão
entre eles. Justifique.
55.Um corpo metálico apresenta quantidade de carga de 5 mC. Após trocar cargas, ficou com 21,4 mC.
Calcule quantos elétrons ele ganhou.
c) A soma das quantidades de cargas das esferas A
e B no final será igual à quantidade de carga do
corpo A antes do contato se o sistema for isolado.
d)Durante o contato, o corpo A transfere elétrons
para o corpo B.
Eletrização por indução
61. Aproxima-se um bastão previamente eletrizado
com carga positiva de três esferas metálicas idênticas, inicialmente neutras.
a)Represente, nas figuras I e II, conforme indicado,
a distribuição de cargas nas três esferas quan­
do a aproximação do bastão eletrizado for ao
longo da linha, pela esquerda (I), e, pela direita (II).
I
Isolantes e condutores
56.Um objeto eletrizado precisa ser deslocado de sua
posição sem que seja descarregado. Para que uma
pessoa possa fazer isso, são apresentadas três sugestões a seguir.
• Pegar o objeto diretamente com as mãos.
• Usar um pegador de metal.
• Usar um pegador de plástico.
Compare as três sugestões, escolha a mais adequada e justifique sua escolha.
57. Os metais são bons condutores de eletricidade. Sabe-se que a prata conduz a eletricidade de maneira
mais eficiente que o cobre. Formule hipóteses para
explicar por que não se usam fios de prata nas redes elétricas.
A
B
II
C
A
B
C
b) Caso as três esferas sejam afastadas do bastão,
qual será a carga de cada esfera?
62.Um detector eletrostático mais simples do que o eletroscópio é o pêndulo eletrostático (esquema abaixo). Consiste em uma pequena esfera leve, suspensa
por um fio isolante, ambos presos a uma haste fixada a um suporte.
fio de seda
(isolante)
haste
esfera de
metal
suporte
���
��
�
� ��
corpo eletrizado
Eletrização por atrito
58.Atrita-se uma bexiga em
um pedaço de tecido. Ao
aproximar outra bexiga
neutra dessa primeira bexiga, ocorre atração entre
ambas. Explique por que
essas bexigas se atraem.
59.Quando se atrita um bastão de vidro em um pedaço de lã, quem perde e quem ganha elétrons?
Justifique.
Eletrização por contato
60.Uma esfera metálica eletrizada A com carga 6 mC
é colocada em contato com uma esfera B idêntica.
Corrija em seu caderno a afirmativa errada.
a)Após o contato, as duas esferas terão a mesma
quantidade de carga.
b)No final, as cargas das esferas serão de mesmo
sinal.
Se a esfera do pêndulo estiver neutra, será atraída
ao aproximar um corpo eletrizado (na figura, esse
corpo é um bastão). A presença do corpo eletrizado polariza eletricamente a esfera por indução, surgindo uma força de atração entre as cargas opostas
que estão mais próximas.
Descreva todas as situações que podem ocorrer
com a esfera do pêndulo se ela já estiver eletrizada
e dela for aproximada um corpo igualmente eletrizado, conforme o esquema acima.
Partículas elementares
63.Faça uma relação das principais características de
um quark.
64.Determinar a carga dos seguintes hádrons:
a)csi-menos 5 d 1 s 1 s
_
_
__
​  1 s​
​ 
b)anticsi-zero 5 u​
​  1 s​
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21.10.09 15:57:41
command na caixa com texto
transparente abaixo
1
Carga elétrica
Integre o aprendizado
65.Três esferas metálicas A, B e C, idênticas, são colocadas em contato na sequência apresentada nas
figuras a seguir.
1o contato
A
69.Leitura e interpretação. Leia a tirinha a seguir e
depois responda.
2o contato
B
A
C
Determine a quantidade de carga da esfera C após
o contato final, sabendo que, antes do contato, a
quantidade de carga de A era 20 mC e que as esferas B e C estavam neutras.
66.Escreva em seu caderno a alternativa falsa. Na eletrização por indução:
a) o induzido deve ser um condutor.
b)o indutor deve ser previamente eletrizado.
c) se o induzido sofrer indução eletrostática, ele
permanece neutro.
d)após o aterramento, o indutor e o induzido terão
cargas de mesmo sinal.
67. Um grupo de alunos faz um experimento utilizando
fitas adesivas. Para isso, realizam-se os seguintes
procedimentos.
• Cortam-se dois pedaços de fita adesiva de
20 cm.
• Cola-se um deles em uma mesa lisa e passa-se a
chamar esse papel de I (inferior).
• Sobre a fita inferior, cola-se o outro pedaço, chamado de S (superior).
• Separam-se rapidamente as fitas I e S.
Observam-se, então, os acontecimentos a seguir.
I. Há atração quando se aproxima um objeto neutro de cada fita separadamente.
II. Os dois pedaços de fita adesiva passam a atrair-se logo após terem sido separados.
III.Não ocorre mais atração entre as fitas após
atrair-se alunos ter passado o dedo ao longo
delas.
Utilize o modelo atômico de Rutherford-Bohr para
explicar cada um desses acontecimentos.
68.Compare os processos de eletrização e, em seu caderno, complete a tabela a seguir. Para se referir às
cargas dos corpos, use as expressões “carga positiva” ou “carga negativa”. Para referir-se ao resultado obtido na interação final, use as palavras “atração” ou “repulsão”.
Carga antes
Processo
Corpo
1
Atrito
neutro
Corpo
2
Contato
neutro
Indução
neutro
Carga depois
Corpo
1
Corpo
2
Interação
final
repulsão
a)Se Garfield, ao sair do carpete, colocasse suas
patas em um piso de terra, ele conseguiria dar
os choques como na história acima?
b)Seria possível trocar cargas entre Garfield e os
outros personagens sem que houvesse contato
entre eles?
c) Se as unhas do Garfield ficassem eletrizadas
com carga positiva, qual seria o sinal da carga
em excesso no carpete?
70.Leitura e interpretação. Leia a seguinte tirinha.
A tirinha faz menção a um acontecimento histórico
importante na Física.
a)Identifique esse acontecimento.
b)Descreva como e quando isso ocorreu.
71. Ainda em relação à tirinha anterior, responda se
cada afirmação a seguir é falsa ou verdadeira.
a)Apesar de a distância ser menor entre a pipa e
a nuvem, não existe risco algum para Benjamin
Franklin, pois a linha é feita de material isolante.
b)Se a base da nuvem estiver eletrizada com carga negativa, haverá uma indução eletrostática
na pipa, que ficará eletrizada positivamente.
c) Como a linha e a pipa são materiais isolantes,
não ocorre nelas uma indução eletrostática.
Ocorre, apenas, polarização.
d) As cargas da chave serão polarizadas, pois ela é
de metal.
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22.10.09 14:05:28
72.Uma esfera de isopor presa por um fio isolante encontra-se eletrizada com carga negativa. Um bastão de cobre, ao ser aproximado da esfera, faz com
que ela mude de posição, adquirindo a configuração apresentada na figura a seguir.
fio de cobre
cúpula
calota
superior
pente
superior
calota
inferior
eixo
alumínio
rolete
superior
PVC
correia
feltro
a) Consulte a série tribo-elétrica na página 19 e responda se o bastão de cobre foi eletrizado com
um material à sua esquerda ou à sua direita na
série.
b) Se a quantidade de cargas da esfera for 8 ? 10213 C,
calcule o número de elétrons em excesso no bastão, supondo que tenha o dobro da quantidade
de cargas da esfera.
73.Duas esferas metálicas A e B são colocadas em
contato. A esfera A, antes do contato, apresenta
uma quantidade de carga igual a 15 mC, enquanto a
esfera B se apresenta neutra.
rA
​ r  ​  ​é igual a 2,
a)Sabendo que a razão entre os raios ​ __
(  )
B
determine a carga da esfera B no final do contato.
b)Calcule a quantidade de elétrons que serão transferidos para o corpo B.
c) Calcule quantos elétrons serão transferidos para
o corpo A.
d)Considerando o sistema eletricamente isolado, determine qual será a carga total do sistema após o
contato.
e)Responda se, aterrando-se a esfera B, haverá um
fluxo do solo para a esfera ou no sentido contrário. Justifique sua resposta e faça um desenho
indicando o sentido do fluxo.
74. Investigação e pesquisa. Máquinas eletrostáticas
são equipamentos usados em aulas de Física para
produzir eletricidade estática de maneira segura.
Uma dessas máquinas é o gerador de Van de Graaff
(ver esquema depois da fotografia a seguir). Pesquise e explique o seu funcionamento.
motor tubo de
plástico
rolete
inferior
eixo
fio
terra
pente inferior
placa de alumínio
Esquema com os principais componentes de um gerador de Van
de Graaff.
Desenvolver com ciência
75.Na fumaça eliminada pelas indústrias, há diversas partículas poluentes. Essas partículas
podem ser eliminadas pelos chamados filtros
eletrostáticos.
No processo executado
por esses filtros, a fumaça
é direcionada para uma
tubulação e passa por um
estágio de ionização, em
que as partículas poluentes
tornam-se eletrizadas. A
seguir, a fumaça é conduzida para coletores de placas
Filtro eletrostático
paralelas eletrizadas.
utilizado em indústrias.
Nesses coletores, as partículas poluidoras são
atraídas e, por isso, acabam por se precipitar.
ar
limpo
fumaça
ionização
coletor
coletor
Esquema com as principais etapas de funcionamento de um
filtro eletrostático.
Ao entrar em contato
com um gerador de Van
de Graaff, os cabelos da
pessoa ficam eriçados.
a)Explique o que é necessário para que um íon
positivo se precipite em uma placa coletora.
b)Pesquise o que é feito com o material
precipitado no coletor.
c)Indique outras tecnologias resultantes do
estudo da eletrostática e que melhoraram
a vida das pessoas.
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22.10.09 14:05:30
Física tem história
O incrível mundo da Física moderna
Alguns dias depois, enquanto acabava de jantar, o senhor Tompkins lembrou-se de que à noite o professor
faria uma preleção a respeito da estrutura do átomo, à
qual prometera comparecer. […]
“Senhoras e senhores”, começou o professor, olhando
para todos gravemente por cima dos óculos, “em minha
última preleção prometi dar maiores detalhes a respeito
da estrutura interna do átomo, e explicar como as características peculiares dessa estrutura justificam as propriedades físicas e químicas que possui. Sabem, naturalmente, que não se consideram mais os átomos como
partes elementares indivisíveis constituintes da matéria,
tendo passado esse papel agora a partículas muito menores, como elétrons, prótons, etc.
A ideia de partículas elementares constituintes da matéria, representando o último passo possível na divisibilidade de corpos materiais, vem desde o antigo filósofo
grego Demócrito, que viveu no século IV a.C. Meditando a respeito da natureza oculta de tudo que existe, Demócrito chegou ao problema da estrutura da matéria, e
viu-se ante a questão de saber se pode existir em porções
infinitamente pequenas. Como não era costume naquela época resolver qualquer problema por qualquer outro
método que não o pensamento puro, e como, em qualquer caso, a questão naquele tempo estava fora do alcance
de qualquer ataque possível por meio de métodos experimentais, Demócrito procurou a resposta certa nas profundezas do próprio pensamento. Baseando-se em certas
considerações filosóficas obscuras, chegou finalmente à
conclusão de que seria impossível imaginar a possibilidade
de dividir a matéria em partes cada vez menores sem
qualquer limite, sendo necessário supor a existência das
menores partículas que não se podem mais dividir. Chamou
tais partículas de átomos, palavra que, conforme devem
saber, significa em grego indivisível.
Não pretendo diminuir a contribuição de Demócrito
para o progresso das ciências naturais, mas é conveniente ter presente que, além de Demócrito e seus seguidores, havia sem dúvida outra escola na filosofia grega
cujos sectários sustentavam ser possível levar o processo de divisibilidade além de qualquer limite […]. Ao
tempo de Demócrito, e durante séculos posteriores, a
existência de tais porções indivisíveis da matéria representava hipótese meramente filosófica, e foi somente no
século XIX que os cientistas resolveram ter achado finalmente esses blocos indivisíveis de matéria […].
De fato, no ano 1808 um químico inglês, John Dalton, mostrou que as proporções relativas de diversos
elementos químicos necessários para a formação de
compostos mais complicados podem sempre exprimir-se pela relação de números inteiros, interpretando essa
lei empírica como devida a entrar em todos os corpos
compostos número variável de partículas, que representam elementos químicos simples. A impossibilidade da
alquimia medieval em transformar um elemento químico em outro forneceu a prova da indivisibilidade dessas
partículas, e sem grande hesitação batizaram-nas pelo
antigo nome grego de “átomos”. Uma vez dado, o nome
pegou, e embora saibamos agora que esses “átomos de
Dalton” não são de modo algum indivisíveis, sendo formados na realidade, de um grande número de partículas ainda menores, deixamos passar a inconsistência filosófica da denominação.
Desse modo, as entidades chamadas “átomos” pela
física moderna não são de modo algum as unidades elementares e indivisíveis que constituem a matéria, imaginadas por Demócrito, e o termo “átomo” seria atualmente mais correto se se aplicasse a partículas muito
menores como elétrons e prótons, que entram na constituição dos “átomos de Dalton”. Contudo, semelhante mudança de denominações causaria demasiada confusão […]. Assim sendo, conservamos o antigo nome
de “átomos” no sentido de Dalton e referimo-nos a elétrons, prótons, etc. como “partículas elementares”.
Podemos agora voltar à questão que diz respeito à
maneira pela qual as partículas elementares constroem
os átomos de Dalton. […] Rutherford chegou à conclusão de que todos os átomos devem possuir núcleo
central muito denso carregado positivamente (núcleo
atômico) cercado por nuvem um tanto rarefeita de carga eletronegativa (atmosfera atômica). […] [Niels Bohr
propôs] o sistema de órbitas circulares e elípticas, que
representam os únicos tipos de movimento “permitido”
aos elétrons que formam a atmosfera atômica. […] Enquanto a mecânica clássica permitiria que o elétron se
movesse a qualquer distância do núcleo, sem estabelecer
restrições quanto à excentricidade (isto é, alongamento)
da órbita [...], as órbitas [...] de Bohr formam grupo discreto, tendo perfeitamente definidas todas as dimensões
características.
Gamow, G. O incrível mundo da física moderna. Trad. Jacy Monteiro. 2. ed.
São Paulo: Ibrasa, 1980, p. 128-131; 144-147.
De acordo com o texto
1. Quando Gamow escreveu o texto acima, ainda não havia sido elaborado o modelo que incluía partículas
como os quarks. Extraia do texto uma expressão que confirme essa afirmação.
2.Você acredita que existam partículas ainda menores que os quarks? Justifique.
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Física e sociedade
Aplicações da eletrostática
As máquinas fotocopiadoras têm como principal elemento um cilindro metálico coberto com uma fina camada de material fotocondutor (material que apresenta modificação em sua condutibilidade elétrica quando
submetido à ação de ondas eletromagnéticas da faixa
de luz visível). Normalmente, o material fotocondutor
utilizado é o selênio.
lâmina
documento
original
lente
barra
cilindro corona
coberto
por
selênio
lâmpadas
fluorescentes
de vidro
curvo
tampa
bandeja
de saída
correia
transportadora
barra corona
transferidora
escova rolos de fusão espelho basculante
(aquecidos)
(explorador)
Para produzir uma cópia é necessário fazer com que
o pó toner, um pó muito fino, seja atraído para os pontos eletrizados do cilindro que contém a imagem eletrostática e depois transferir esse pó para o papel que
será impresso. A atração entre o cilindro e o toner ocorre porque o cilindro é previamente eletrizado com carga
negativa, e o toner, com carga positiva.
A folha de papel em que será formada a imagem final
é eletrizada antes de entrar em contato com o cilindro
impregnado pelo toner. Quando a folha passa pelo cilindro, atrai o toner, formando a imagem no papel. Para fixar o toner ao papel, a folha com o toner passa por outro
cilindro previamente aquecido à temperatura de fusão
dessa substância, finalizando o processo.
Pinturas eletrostáticas
A pintura eletrostática é um processo em que as peças metálicas a serem pintadas são eletrizadas com carga
positiva, e as partículas da tinta são eletrizadas com carga negativa. Quando pulverizadas, as gotas de tinta são
atraídas para as peças antes que caiam ou se espalhem.
Com esse processo, evita-se o desperdício de tinta,
diminui-se o uso de solventes, aumenta-se a aderência
às peças e torna-se mais homogênea a película de tinta
sobre elas.
Esquema dos principais elementos de uma máquina fotocopiadora.
O principal dispositivo é o cilindro coberto por material
fotocondutor.
O material fotocondutor eletrizado é neutralizado
apenas nos pontos onde incide o feixe de luz. Os pontos
do cilindro que contêm o material fotocondutor e que
não foram iluminados permanecerão eletrizados.
As copiadoras inicialmente projetam um feixe de luz
sobre o documento a ser copiado. A imagem refletida é
direcionada por meio de lentes para o cilindro metálico
fotocondutor. De acordo com a intensidade de luz que
chega ao cilindro, haverá pontos mais eletrizados ou
menos eletrizados. A diferença entre a eletrização dos
pontos é o que permitirá distinguir elementos da imagem eletrostática a ser copiada.
Trabalhador utilizando a pintura eletrostática. Ao emitir um jato de
tinta, as peças a serem pintadas, que estão eletrizadas, atraem as
partículas de tinta, também eletrizadas com sinal contrário ao das
peças. Esse procedimento evita desperdício de tinta.
De acordo com o texto
1. Explique como se dá o processo de formação de imagens copiadas em uma máquina fotocopiadora.
2.Identifique todos os processos de eletrização presentes na descrição do funcionamento da máquina fotocopiadora e do processo em que se utilizam as pinturas eletrostáticas.
3. Formule hipóteses para explicar o que as pessoas precisavam fazer para produzir cópias de textos, imagens
e documentos antes da invenção da máquina fotocopiadora.
4. Dê exemplos de outros recursos tecnológicos envolvendo carga elétrica em sua vida.
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Laboratório
Eletrostática
Participantes: dois alunos
Objetivo: identificar corpos eletrizados e observar atração e repulsão elétrica entre corpos.
Material: dois canudinhos; papel-alumínio; duas folhas de toalha
de papel; massa de modelar; lápis; bexiga; linha de costura fina;
três suportes de madeira de 6 cm por 10 cm.
Procedimento
A
1.Corte três discos de papel-alumínio com raio de 1 cm. Fixe cada dis-
co a um pedaço de linha de costura com 12 cm cada.
2.Dobre uma das pontas do canudinho e amarre a linha com o disco
em uma das extremidades. A outra extremidade deve ser fixada ao
suporte de madeira com o auxílio de massa de modelar (figura 1).
3.Fixe duas linhas com discos de alumínio na extremidade de outro canudinho e monte o arranjo experimental (figura 2).
4.Com o auxílio da massa de modelar, fixe o lápis ao terceiro suporte
de madeira. Dobre um canudinho ao meio e o coloque sobre a ponta do lápis (figura 3). Para facilitar o apoio, faça um pequeno furo
no canudinho onde será encaixada a ponta do lápis.
5.Pegue outro canudo e atrite-o em uma das folhas de toalha de papel.
6.Aproxime do pêndulo de um disco o canudinho atritado. Observe o
que acontece com o disco de papel-alumínio e anote o que observar.
7.Atrite novamente o canudinho na folha de papel e encoste-o no
pêndulo de dois discos. Observe o que acontece com o disco de
papel-alumínio e anote o que observar. Repita esse procedimento
quatro vezes seguidas ou até que os discos permaneçam afastados
um do outro (figura 4).
8.Volte a atritar o canudo e aproxime-o do canudo apoiado sobre o
lápis (figura 5). Observe e anote o resultado.
8 cm
fio
(linha fina)
canudinho
de refresco
20 cm
massa de modelar
para firmar o canudo
6 cm
suporte
de madeira
10 cm
Figura 1: pêndulo eletrostático de um disco.
Figura 2: pêndulo
eletrostático com
dois discos.
lápis
canudinho
dobrado
apoiado na
ponta do lápis
Depois do experimento
B Interpretação dos resultados
1.Quanto ao pêndulo eletrostático de um disco.
a) Entre o canudinho e o disco houve atração ou repulsão?
b) Explique por que ocorre essa interação mesmo estando
neutro o disco de alumínio.
c) Faça no caderno um esquema representando a distribuição
de cargas no disco de alumínio e no canudinho.
2.Quanto ao pêndulo eletrostático de dois discos.
a) Faça no caderno dois esquemas: um representando o fluxo
de elétrons entre o canudinho e os discos; outro representando a distribuição de cargas nos discos.
b) Explique por que estes discos se afastaram.
c) Justifique por que é necessário atritar várias vezes o canudinho para que se afastem.
3.Quanto ao pêndulo triangular.
a) Que tipo de interação ocorreu; atração ou repulsão?
b) Faça no caderno um esquema representando a distribuição de
cargas nos dois canudos.
c) Sugira um procedimento com os mesmos materiais para que
ocorra a interação oposta à obtida na atividade.
rodela
de papel-alumínio
diâmetro: 1 cm
Figura 3.
Figura 4.
lápis
canudinho
atritado
Figura 5:
pêndulo
triangular.
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transparente abaixo
Rede de conceitos
a
múltiplo da
carga elementar
e � 1,6 � 10�19 C
positiva
Carga
elétrica
é sempre
um
pode ser
negativa
se
é uma
conserva
propriedade de
certas partículas
como
os
os
elétrons
(�)
prótons
(�)
em excesso
tornam o
em excesso
tornam o
corpo eletrizado
negativamente
corpo eletrizado
positivamente
em igual quantidade
tornam o
um
corpo eletricamente pode ser
neutro
eletrizado
por
atrito
o
corpo
neutro
adquire
carga de
sinal oposto
ao da carga
do corpo
eletrizado
contato
o
indução
o
corpo
neutro
adquire
carga de
mesmo sinal
que o da carga
do corpo
eletrizado
corpo
neutro
adquire
carga de
sinal oposto
ao da carga
do corpo
eletrizado
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