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ELETROSTÁTICA ‐ 214EE T E O R I A 1. CARGA ELÉTRICA A carga elétrica é uma propriedade física inerente aos prótons e elétrons (os nêutrons não possuem esta propriedade) que confere a eles a capacidade de interação mútua. Isto faz com que prótons e elétrons apresentem a capacidade de exercer uma força entre si. No SI (Sistema Internacional de Unidades), a unidade de carga elétrica é o coulomb (C). Por convenção, a carga elétrica do próton é positiva e a do elétron é negativa, cujo módulo é chamado de carga elementar e vale: e=1,6.10‐19C 2. CORPOS ELETRIZADOS Corpo neutro é aquele que tem uma quantidade igual de elétrons e prótons. Um corpo que possua uma quantidade diferente de prótons e elétrons é denominado eletrizado. Essa diferença só pode ser obtida acrescentando‐se ou retirando‐se elétrons do corpo, visto que os prótons estão presos ao núcleo do átomo e, portanto, apresentam uma quantidade fixa para cada átomo(figura1) Figura 1 3. PRINCÍPIO DA QUANTIZAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA A evidência experimental tem mostrado que não é possível inserir ou remover frações de um elétron num corpo, ou seja, somente podem‐se utilizar quantidades inteiras de elétrons. Assim, um corpo sempre ganha ou perde uma quantidade de elétrons que é expressa por um numero inteiro. Portanto, conhecendo‐se essa quantidade de elétrons, pode‐se determinar a carga de qualquer corpo. Podemos concluir então que a carga elétrica (Q) de um corpo eletrizado é quantizada, isto é, seu valor é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar (e). O módulo da quantidade de carga elétrica adquirida pelo corpo é calculado como: 2
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE Q=n. e onde n é o número de elétrons retirados ou acrescentados ao corpo. Note que se forem retirados elétrons, a quantidade de prótons no corpo será maior que a quantidade de elétrons e o valor de Q será positivo. Já se o corpo receber elétrons, a quantidade no corpo será maior do que a quantidade de prótons e o valor de Q será negativo. 4. PRINCÍPIO DA ATRAÇÃO E REPULSÃO O princípio da atração e da repulsão afirma que partículas com cargas elétricas do mesmo sinal se repelem e partículas com cargas elétricas de sinais opostos se atraem (figura 2). Um exemplo para se verificar esse princípio consiste em atritar dois canudinhos de plástico com um pano de lã. Os canudinhos terminarão com uma carga de sinal oposto ao do pano de lã. Dessa forma, um canudinho será atraído pelo pano de lã e será repelido pelo outro canudinho. Figura 2 Princípio da atração e repulsão Fonte: www2.fc.unesp.br Acessado em 09/06/2010
Se uma partícula que possui carga elétrica for colocada próxima a um nêutron, como o mesmo não possui carga elétrica, nenhum efeito será observado. Entretanto, se um corpo eletrizado for aproximado de um corpo neutro, será observada uma atração entre esses corpos (como será mostrado se ao estudar os eletroscópios). 5. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA Num sistema eletricamente isolado (que não pode trocar cargas elétricas com outros corpos), a soma algébrica das quantidades de cargas elétricas permanece constante. Isto não impede que se o sistema possui vários corpos os elétrons possam se transferir de um corpo para outro, apenas prova que a quantidade de elétrons e prótons existentes dentro do sistema no início e no final do processo é a mesma. Analisando‐se este fato de outra maneira, pode‐se concluir que elétrons, prótons e nêutrons não podem ser criados nem destruídos. Portanto, a partir do momento em que existe um conjunto de corpos dentro do sistema físico, a quantidade dessas partículas é inalterável. 3
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE Figura 3 Princípio da conservação da carga
Fonte: educação.uol.com.br Acessado em 09/06/2010 6. CONDUTORES E ISOLANTES ELÉTRICOS Os fenômenos elétricos dependem dos portadores de carga elétrica, ou seja, das partículas eletricamente carregas que podem se mover dentro do material. Os portadores de carga elétrica, mais comuns são: •
os elétrons livres ‐ elétrons das últimas camadas eletrônicas que deixam os átomos nos quais orbitam e movem‐se pelos espaços interatômicos. Este fenômeno ocorre predominantemente nos metais. •
os íons positivos e negativos ‐ provenientes de uma dissociação iônica ou de uma ionização. Ocorrem predominantemente nas soluções eletrolíticas e nos gases ionizados. Os materiais podem ser classificados eletricamente como: • condutores ‐ todo material no qual os portadores de carga elétrica apresentem grande mobilidade (como os metais) • isolantes ou dielétricos ‐ todo material que dificulte ou impeça a movimentação dos portadores de carga elétrica (como o plástico e a borracha). Fora do âmbito clássico da Eletrostática, existem alguns materiais que apresentam um comportamento intermediário ao condutor e isolante: os chamados semicondutores. O exemplo mais importante é o silício, amplamente utilizado na fabricação de processadores de computadores e outros dispositivos como transistores, diodos. E, ainda com caráter experimental, existem algumas cerâmicas capazes de conduzir a eletricidade sem 4
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE nenhuma perda. Essas cerâmicas são denominadas materiais supercondutores. 7. ELETRIZAÇÃO A eletrização é o fenômeno através o qual um corpo neutro torna‐se eletrizado devido ao acréscimo ou decréscimo de elétrons do corpo. Nos condutores eletrizados as cargas elétricas se deslocam na superfície do corpo, pois nestes materiais as cargas elétricas apresentam grande mobilidade e devido às forças de repulsão elas tendem a afastar‐se ao máximo, uma das outras. Por isso, muitas vezes as cargas acabam escoando para o ambiente, sendo difícil retê‐las no corpo condutor.Nos corpos isolantes não ocorre este fato e, portanto é mais fácil mantê‐los eletrizados. Entretanto, como as cargas apresentam pouca mobilidade acabam se concentrando na região onde ocorre a eletrização. 7. 1 ELETRIZAÇÃO POR ATRITO Um dos processos pelos quais podemos eletrizar um corpo é o atrito. Quando se atritam dois corpos, inicialmente neutros, ocorre uma troca de elétrons livres entre eles, de modo que um dos corpos fica eletrizado positivamente (perde elétrons) e o outro fica eletrizado negativamente (ganha elétrons). Ao final do processo de eletrização por atrito, eles adquirem cargas elétricas de mesmo módulo e de sinais opostos. A eletrização por atrito só acontece se os corpos atritados forem de materiais diferentes. Se atritarmos um bastão de vidro num pedaço de lã, como ilustra a Figura, a experiência mostra que existe passagem de elétrons do vidro para a lã de modo que o vidro fica eletrizado positivamente e a lã fica eletrizada negativamente. Figura 4 Eletrização por atrito 7.2 SÉRIE TRIBOELÉTRICA Quando se atritam dois corpos quaisquer, para se determinar se um deles ficará eletrizado positiva ou negativamente deve‐se consultar uma tabela obtida experimentalmente, chamada de série Triboelétrica (o 5
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE termo 'tribo' deriva de uma palavra grega que significa esfregar, atritar). Na Figura abaixo se apresenta uma série Triboelétrica. Figura 4 Série triboelétrica Nos materiais condutores, os elétrons podem se mover com facilidade enquanto nos isolantes há muita dificuldade para essa movimentação. Por isso, quando se atritam dois corpos feitos de materiais isolantes, a eletrização se limita às regiões atritadas. No entanto, no caso de corpos feitos de materiais condutores, as cargas em excesso se distribuem por toda a superfície do corpo, por efeito do princípio da repulsão de cargas do mesmo sinal. Do mesmo modo, no corpo que fica positivo, a falta de elétrons ocorre por toda a superfície do corpo. O corpo humano é um bom condutor de eletricidade. Assim, ao fazer um experimento de eletrização em que um dos corpos (ou ambos) é condutor, a tendência é que a carga em excesso do corpo condutor se escoe por nosso corpo, indo para a Terra. Assim, para que o corpo não se descarregue, devemos usar luvas de material isolante. 7.3 ELETRIZAÇÃO POR CONTATO Quando um corpo eletrizado é colocado em contato com outro, inicialmente neutro, um fluxo de elétrons (movimento temporário de elétrons livres) se estabelece de corpo para o outro, até que ambos atinjam o equilíbrio elétrico. Assim, se produz una redistribuição de cargas entre os corpos e os dois ficam eletrizados com cargas de mesmo sinal. Figura 5 Eletrização por contato Fonte: educacional.com.br Acessado em 09/06/2010 Se os corpos em contato forem idênticos, eles terminarão o processo de eletrização com cargas iguais e de mesmo módulo. Se os corpos não forem idênticos, a quantidade de carga que terá cada um no final do processo de eletrização dependerá das características geométricas de cada corpo (tamanho e forma). 6
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE 7.4 ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO Quando um corpo eletrizado (indutor) aproxima‐se de outro corpo (induzido), inicialmente neutro e condutor, provoca‐se o fenômeno de indução eletrostática. Durante a aproximação ocorre una redistribuição de cargas no induzido, os elétrons se deslocam à região próxima do indutor, se o indutor é carregado positivo (atração) ou se afastam se o indutor é carregado negativo (repulsão). Apesar da concentração das cargas elétricas em regiões distintas, a soma das cargas positivas e negativas do corpo é nula. Se o indutor afastar‐se, o induzido volta ao estado inicial. Para que o corpo induzido fique carregado, liga‐se o corpo induzido a Terra antes de afastar o indutor. A ligação pode ser feita a qualquer ponto do corpo e possibilita um fluxo de elétrons para o corpo (se o indutor é positivo) o desde o corpo (se o indutor é negativo). Se ainda na presença do indutor, desliga‐se o induzido da Terra, então o corpo induzido ficará carregado, embora as cargas fiquem concentradas em regiões diferentes. Afasta‐se o indutor e as cargas distribuem‐se pela superfície externa do corpo, formando um condutor eletrizado (figura 6). Fff Figura 6
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ELETROSTÁTICA ‐ 214EE 8. ELETROSCÓPIOS Eletroscópio é o aparelho que têm por finalidade verificar se um corpo está ou não eletrizado. Os eletroscópios neutros não permitem a determinação do sinal da carga do corpo que se aproxima dele; permitem apenas saber se o corpo está ou não eletrizado. Para se conhecer o sinal da carga do corpo que se aproxima do eletroscópio, este já deve estar previamente eletrizado com carga de sinal conhecido. Os tipos de eletroscópios mais utilizados são: 8.1 PÊNDULO ELETROSTÁTICO Pêndulo eletrostático é constituído por um suporte com uma haste, um fio isolante e uma pequena esfera recoberta por uma fina camada metálica. Ao aproximar‐se um bastão do pêndulo, nota‐se que se o bastão não estiver eletrizado não haverá atração entre ele e a esfera do pêndulo. Se o bastão estiver eletrizado, com carga de qualquer sinal, haverá atração (figura 7). Figura 7 Pêndulo elétrico Fonte: servlab.fis.unb.br Acessado em 09/06/2010 8.2 ELETROSCÓPIO DE FOLHAS Ao aproximar‐se um bastão da esfera metálica, nota‐se que se o bastão não estiver eletrizado as lâminas do eletroscópio não abrem. Se o bastão estiver carregado eletricamente, então as lâminas do eletroscópio se afastam provocado pela repulsão entre cargas do mesmo sinal. 8
ELETROSTÁTICA ‐ 214EE Figura 8 Eletroscópio de folhas
Fonte: portaldoprofessor.mec.gov.br Acessado em 09/06/2010
REFERÊNCIAS •
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VESTIBULAR é vestibulandoweb. Disponível em: http://www.vestibulandoweb.com.br. Acesso em: 19 jan. 2009. TABARES, R. H. et al. Eletrostática: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005. TABARES, R. H. et al. Eletrodinâmica: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005. TABARES, R. H. et al. Eletromagnetismo: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005. •
TABARES, R. H.et al. Laboratório interativo de eletromagnetismo: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 1999. Autores Raul Hernandez Tabares. Autoria Especializada em Física. Formação em Engenharia Física Nuclear e Mestrado em Física Eletrônica na Universidade Técnica de Praga. Doutorado em Física na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Especialista no desenvolvimento de simuladores computacionais de apoio ao ensino e ao treinamento operacional. Responsável pelo desenvolvimento de mais de 15 softwares educacionais e 4 portais educacionais para o ensino médio e superior. Noriyasu Omote. Autoria Especializada em Física (conteúdos: Laboratório Virtual, Teoria, Mapa Interativo, Avaliação e Guia do Professor). Especialização em Tecnologia de Ensino de Física (IFUSP). Especialização em Análise de Sistemas (630 h).Graduado em Ciências Exatas pelo Instituto de Física da USP. Autor de: Física – série Sinopse, Editora Moderna. Curso Básico de Física (3 volumes) Editora Moderna. Física Vivencial (12 volumes)‐ Editora Laborciência. Construindo a Física – Editora Laborciência. Diretor Executivo do Instituto Galileo Galilei para a Educação (IGGE).