Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
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Criação de fluxos de carga elétrica em materiais condutores
Introdução
Atualmente, existe um enorme conjunto de evidências de que todo e qualquer
material é feito de átomos. A tabela periódica dos elementos, que você aprenderá a
utilizar no curso de Química, nomeia e apresenta as principais características e
propriedades dos átomos. Esses componentes dos materiais não são indivisíveis
como sugere o significado da palavra concebida na Grécia antiga: os átomos são
compostos por partículas. Uma dessas partículas está localizada na parte mais
externa do átomo e pode abandoná-lo, em algumas situações. Ela se chama elétron,
possui uma massa muito pequena (9,11 x 10-31 kg) e também apresenta uma
característica chamada carga elétrica negativa. A carga elétrica é responsável por
vários fenômenos elétricos e magnéticos, comuns em nosso cotidiano. No núcleo
dos átomos existem partículas que contêm carga elétrica positiva. Essas partículas,
chamadas prótons têm massa 1,67 x 10-27 kg, que é milhares de vezes maior do que
a massa de um elétron. A FIG. 1 apresenta o modelo simplificado do átomo.
FIG. 1‐ Modelo simplificado do átomo.
Na atividade “Um primeiro contato com os circuitos elétricos” você montou alguns circuitos simples constituídos
por uma fonte de energia elétrica (uma pilha), fios de ligação (feitos de cobre) e um dispositivo que transforma
energia elétrica em calor e luz (uma lâmpada incandescente pequena). Nessa ocasião, você pôde verificar que
existem modos específicos para conectar esses três elementos de maneira a fazer a lâmpada brilhar. A questão
que apresentamos nesta atividade é: o que ocorre no interior dos materiais condutores que compõe circuitos nos
quais as lâmpadas brilham?
Exploração 1 – Polaridade/tensão elétrica criada por uma pilha
O aplicativo Tensão de Bateria (http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/battery-voltage) ilustra o papel de uma
fonte de energia elétrica em um circuito. Esse tipo de fonte produz uma diferença na concentração de elétrons
entre duas regiões da própria fonte nas quais os outros elementos do circuito serão ligados. Uma dessas regiões
se comporta como um polo positivo e possui carência de elétrons. A outra se comporta como um polo negativo e
possui um excesso relativo de elétrons. Um dos dispositivos usados como fonte de energia elétrica em circuitos
é a pilha ou bateria. Esses dispositivos realizam reações químicas para criar e manter as concentrações de carga
elétrica mencionadas acima. A existência dessa concentração de cargas diferentes (positiva e negativa) dá origem
àquilo que chamamos de polaridade ou de tensão elétrica. Embora o aplicativo Tensão de Bateria não represente
as reações químicas que ocorrem em uma pilha, ele mostra qual é o efeito dessas reações no que diz respeito
ao papel exercido pela pilha em um circuito elétrico. Acompanhe o uso do aplicativo e registre, por escrito, tudo
o que você compreendeu acerca dos processos nele representados.
Exploração 2 – Polaridade/tensão elétrica criada pelo atrito entre dois objetos
Além das reações químicas, podemos produzir concentrações de carga elétrica ao atritar dois materiais diferentes
entre si. Seu professor fará uso desse processo com a sequência de procedimentos listada a seguir: (a) um
pedaço de tecido será atritado contra um retângulo de plástico colocado sobre uma placa de isopor;
(b) uma pequena lâmpada de neon terá um desses terminais encostado no plástico recém atritado, enquanto o
outro terminal estará seguro entre os dedos polegar e indicador de seu professor.
O aplicativo Balões e eletricidade estática (https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/balloons) ilustra o processo
mediante o qual o atrito entre objetos produz excessos de carga elétrica em suas superfícies. Seu professor irá
utilizá-lo como um recurso para a representação desse processo e realizar experimentos similares usando tecidos
e canudinhos plásticos. Note que os objetos atritatos podem, tanto atrair, quanto repelir outros objetos.
Após acompanhar o uso do aplicativo, retome o experimento realizado com a lâmpada de neon e responda às
seguintes questões: 1ª- por que o brilho da lâmpada é breve ou instantâneo e a lâmpada não permanece acesa
por mais tempo, como acontece quando uma lâmpada de lanterna é conectada a uma pilha por meio de fios
metálicos? 2ª- por que é possível fazer a lâmpada brilhar novamente ao colocá-la em contato com outras regiões
do plástico? 3ª- por que é possível fazer a lâmpada brilhar novamente colocando-a em contato com o plástico,
após atritá-lo, mais uma vez, contra o tecido? 4ª- o resultado desses experimentos constitui uma evidência de
que objetos atritados adquirem excessos de carga elétrica em sua superfície?
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Exploração 3 – Polaridade/tensão elétrica criada pelo gerador de uma usina hidrelétrica ou termoelétrica
Iniciamos a Exploração 1 com a afirmação de que uma fonte de energia elétrica produz uma diferença na
concentração de elétrons entre duas regiões da própria fonte: uma das duas regiões se transforma em um polo
negativo (excesso de elétrons), enquanto a outra se transforma em um polo positivo (carência de elétrons). Sem
essa separação entre cargas elétricas, conhecida como tensão ou polaridade elétrica, é impossível constituir um
circuito! Reações químicas ou o atrito entre objetos feitos de materiais diferentes nos permitem criar
tensão/polaridade, mas é difícil manter separadas grandes quantidades de carga elétrica por intermédio desses
processos. Todavia, existe outro recurso que decorre de um fenômeno conhecido como Indução Eletromagnética
e que será estudado apenas no segundo ano do nosso curso introdutório de Física. Mesmo sem nos
aprofundarmos
nesse
fenômeno,
neste
momento,
nós
utilizaremos
o
aplicativo
http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/generator para mostrar como os elétrons podem ser forçados a se
mover em uma bobina elétrica, isto é, em um fio metálico enrolado e submetido a um campo magnético variável.
Acompanhe o uso do aplicativo pelo professor e utilize a FIG. 2 para identificar, em cada um dos instantes
mostrados na figura, qual é o terminal da bobina do gerador ligado à lâmpada que se comporta como um polo
positivo e qual é aquele que se comporta como um polo negativo. Em seguida, em seu caderno, descreva como
o movimento dos elétrons na bobina do gerador promove concentrações momentâneas de cargas negativas e
positivas nos terminais da lâmpada ligada à bobina.
Exploração 4 – A velocidade das cargas elétricas e a propagação do sinal elétrico em um circuito
O aplicativo http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/signal-circuit mostra a diferença entre a velocidade de
transmissão do sinal elétrico que faz uma lâmpada acender e a velocidade do fluxo de cargas no circuito em que
a lâmpada foi inserida. Acompanhe o uso do aplicativo e responda: (a) as cargas elétricas que fazem o filamento
da lâmpada incandescer, imediatamente após o fechamento do circuito, são as mesmas que saem do polo
negativo da fonte de tensão elétrica, nesse momento? (b) a velocidade com que as cargas elétricas fluem em um
determinado ponto do circuito é diferente da velocidade com que as cargas fluem em outros pontos?
Conforme você pode observar, ao utilizar o aplicativo acima mencionado, há duas velocidades de propagação a
considerar em um fluxo de cargas estabelecido em um condutor metálico: 1o- a velocidade do movimento dos
elétrons que se afastam dos seus átomos de origem sob o efeito da tensão elétrica estabelecida pela fonte;
2o- a velocidade de propagação do sinal elétrico (também conhecido como campo elétrico) que faz todos os
elétrons livres se moverem, quase instantaneamente, após o fechamento do circuito. A primeira dessas
velocidades é muito pequena, da ordem de centímetros por segundo. A segunda é muito grande e muito maior
do que sugere o próprio aplicativo. Seu valor é próximo ao da velocidade da luz no vácuo (3 x 108 m/s). Essa
informação explica o fato de que uma lâmpada acende, quase imediatamente, após acionamos o interruptor do
circuito?