Laboratório de Física III
1 – ELETROSTÁTICA
1.1 - Objetivos
Estudar fenômenos eletrostáticos, provocando eletrização de objetos por meio de atrito
e por indução eletrostática, além de observar efeitos de atração e repulsão entre as cargas
elétricas.
1.2 - Introdução
O fenômeno eletrostático mais antigo conhecido é o que ocorre com o âmbar amarelo
no momento em que recebe o atrito e atrai corpos leves. Tales de Mileto, no século VII a.C.,
já conhecia o fenômeno e procurava descrever o efeito da eletrostática no âmbar. Também os
indianos da antiguidade aqueciam certos cristais que atraíam cinzas quentes, atribuindo ao
fenômeno causas sobrenaturais.
O fenômeno, porém, permaneceu através dos tempos apenas como curiosidade. No
século XVI William Gilbert (1544-1603) utilizou a palavra “eletricidade”, a qual deriva da
palavra grega “elektron”, que era o nome que os gregos davam ao âmbar.
Gilbert reconheceu que a propriedade eletrostática não era restrita ao âmbar amarelo,
mas que diversas outras substâncias também o manifestavam, tais como diversas resinas,
vidros, enxofre, entre outros compostos sólidos. Através do fenômeno da eletrostática nos
sólidos observou-se a propriedade dos materiais isolantes e condutores.
Otto Von Guericke (1602-1686) inventou o primeiro dispositivo gerador de
eletricidade estática, que era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o
qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas. A partir de 1933, Robert
J. Van de Graaff (1901-1967) construiu as primeiras máquinas eletrostáticas modernas, que
produzem diferenças de potencial de vários milhões de volts, usadas para acelerar partículas.
O estudo da eletrostática (carga em repouso) se intensificou, tanto no meio acadêmico
como no industrial, após vários acidentes ocorridos em indústrias de petróleo e química, no
período de 1950 a 1960.
O acúmulo de cargas eletrostáticas normalmente pode gerar faíscas, levando a
drásticas conseqüências quando na presença de substâncias inflamáveis, como gases
explosivos, solventes voláteis entre outros. Essas substâncias são principalmente encontradas
em refinarias de petróleo, indústrias químicas e de alimentos.
Um outro setor onde ocorrem problemas com cargas eletrostáticas é o de fabricação de
componentes microeletrônicos. Vários componentes eletrônicos são danificados devido à
eletricidade estática que surgem durante o processo de fabricação e de embalagem.
Na aviação, a eletricidade estática é fator relevante à segurança das aeronaves. Um
avião, por exemplo, após aterrissar necessita ser descarregado estaticamente, pois a tensão
desenvolvida pode facilmente ultrapassar 250.000 volts.
Nos automóveis também ocorre a eletrização quando estes são submetidos a grandes
velocidades ao ar seco, podendo seus ocupantes ao sair ou entrar no veículo tomarem uma
descarga elétrica.
Em 2003 ocorreu um acidente que, presume-se, foi causado pela descarga de uma
centelha estática num foguete brasileiro na base aeroespacial de Alcântara, cuja explosão
causou a morte de diversos técnicos e engenheiros.
Cargas eletrostáticas podem ser geradas simplesmente pelo fato de pessoas andarem
sobre certos pisos isolantes ou atritar a roupa durante um movimento normal.
- Eletrostática -
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A maneira mais eficiente de eliminar o perigo eletrostático é eliminar os materiais
altamente eletrostáticos. Por exemplo, uma sala onde o acúmulo de cargas pode trazer danos,
a prevenção contra cargas eletrostáticas requer piso com condutividade aceitável, garantindo
que as pessoas estejam em efetivo contato elétrico com o piso por meio de um calçado
antiestático.
Nesta aula prática, veremos como os materiais isolantes e condutores podem acumular
cargas eletrostáticas.
1.3 - Condutores elétricos e isolantes
Como exemplos de condutores elétricos podemos citar os metais. Nesses materiais os
elétrons da última camada dos átomos que os compõem estão fracamente ligados aos seus
núcleos. Em muitos casos, a própria agitação térmica permite que esses elétrons abandonem
os átomos a que pertencem, tornando-se elétrons livres.
Materiais que não possuem cargas livres ou possuem um número relativamente
pequeno de elétrons livres são denominados isolantes ou dielétricos. São exemplos, neste
caso, o vidro, o plástico, a borracha, a água destilada entre outros.
1.4 - Eletrização por atrito
Ao atritar-se dois corpos isolantes inicialmente neutros, provoca-se um contato intenso
entre partes dos corpos. Tal contato permite a troca de elétrons, eletrizando-se positivamente o
corpo que cede elétrons e negativamente o que recebe elétrons. Cederá elétrons o átomo cujos
elétrons da última camada estão menos fortemente ligados ao seu núcleo em relação aos
átomos que compõem o outro material. Assim, por exemplo, se atritarmos um bastão de vidro
com seda, os elétrons do bastão serão cedidos para a seda, ficando o bastão carregado
positivamente e a seda negativamente. Isso sugere que os elétrons pertencentes aos átomos
que compõem o vidro, estão menos fortemente ligados que os elétrons dos átomos que
compõem a seda. Estando os dois materiais inicialmente neutros, estes adquirem, após o
atrito, cargas de mesmo valor absoluto e sinais opostos, como conseqüência do principio de
conservação de cargas.
1.5 - Eletrização por contato
A eletrização por contato entre condutores, ocorre quando um corpo neutro é colocado
em contato com um corpo eletrizado.
Para descrever como esse processo acontece, vamos considerar o exemplo da figura
1.1, onde um corpo condutor carregado positivamente entra em contato com um corpo
metálico neutro. Nesse caso, ao entrar em contato, os elétrons do corpo neutro passam para o
corpo eletrizado. O corpo neutro, perdendo elétrons, fica positivamente carregado. Esse
processo de transferência de cargas também ocorre quando um corpo eletrizado
negativamente entra em contato com um corpo neutro. Neste caso, as cargas negativas passam
do corpo carregado para o neutro, e ambos ficam eletrizados negativamente.
ANTES
DURANTE
DEPOIS
Fig. 1.1 - Processo de eletrização por contato.
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1.6 - Indução eletrostática
Ao aproximar-se um corpo eletrizado de um condutor inicialmente neutro, sem que
haja contato, criam-se, no condutor, duas regiões com cargas de sinais opostos. Isso acontece
porque o condutor possui elétrons livres que podem ser atraídos ou repelidos pelo corpo
inicialmente eletrizado.
A figura 1.2, mostra o caso em que um bastão de material isolante, carregado
negativamente, está próximo de um condutor. Neste caso, os elétrons livres do condutor são
repelidos pela carga do bastão, criando duas regiões eletrizadas: uma positiva, próxima do
bastão e outra negativa, na região do condutor mais afastada do bastão. No caso do bastão
estar carregado positivamente, as cargas negativas do condutor seriam atraídas para a região
mais próxima do bastão e, conseqüentemente, a região do condutor mais afastada do bastão,
ficaria com excesso de cargas positivas.
Fig. 1.2 - Indução eletrostática.
A indução eletrostática também ocorre quando aproximamos um corpo eletrizado de
um corpo isolante neutro. Neste caso, há um pequeno deslocamento de nuvens eletrônicas
e/ou alinhamento de dipolos existentes no material.
Fig. 1.3 - Indução de um isolante.
Experimentalmente, a indução eletrostática de um material isolante ou metálico pode
ser observada quando aproximamos um corpo carregado de um outro corpo leve e neutro,
suspenso por um fio isolante, como mostra a figura 1.4. O corpo neutro sofre a indução e é
atraído em direção ao corpo eletrizado.
Fig. 1.4 - Corpo neutro atraído pelo corpo eletrizado.
Uma maneira simples de verificar se um corpo está ou não eletrizado é aproximá-lo do
braço. Nesse caso, os pêlos do braço se direcionarão ao objeto eletrizado. Outra maneira é
aproximá-lo de um eletroscópio, como mostra a figura 1.5. Ao aproximar o corpo eletrizado
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da esfera do eletroscópio ocorrerá uma indução, aparecendo cargas de mesmo sinal em ambas
as folhas. Conseqüentemente ocorrerá a repulsão entre elas.
Antes da aproximação
(a)
Após a aproximação
(b)
Fig. 1.5 - Eletroscópio de folha: (a) neutro e (b) indicando que o corpo está eletrizado.
1.7 - Série triboelétrica
Alguns materiais, quando atritados aos pares, um contra o outro, geram mais cargas
elétricas livres do que outros pares. A série triboelétrica é uma lista de materiais, que mostra
quais são aqueles que têm uma maior tendência de se tornarem positivamente eletrizados e
quais os que apresentam maior tendência de se tornarem negativamente eletrizados. Essa lista
torna-se, assim, uma ferramenta indispensável para se determinar quais pares de materiais
podemos utilizar para um eficiente processo de eletrização por atrito. A tabela 1.1 mostra a
série triboelétrica:
Tabela 1.1 - Série triboelétrica.
Positiva
CARGA
Negativa
Neutra
MATERIAIS
Pele humana seca
Couro
Pele de coelho
Vidro
Cabelo humano
Nylon
Lã
Chumbo
Pele de gato
Seda
Alumínio
Papel
Algodão
Aço
Madeira
Âmbar
Borracha dura
Níquel e cobre
Latão e prata
Ouro e platina
Poliéster
Isopor
Filme de PVC
Poliuretano
Polietileno
PVC
Teflon
OBSERVAÇÕES
Grande tendência em doar elétrons e ficar altamente positiva.
É muito usado na eletrização por atrito.
O vidro de sua tela de TV fica eletrizado e atrai pó.
Pentear o cabelo é uma boa técnica para obtenção moderada de carga.
O chumbo retém tanta eletricidade estática quanto pele de gato.
Deixa escapar alguns elétrons.
A melhor das roupas “não estáticas”.
Não é usado para eletrização por atrito.
Atrai alguns elétrons, mas é quase neutro.
Alguns pentes são feitos de borracha dura.
Escovas de cobre são usadas no gerador eletrostático de Wimshurst.
Esses metais atraem elétrons quase tanto quanto o poliéster.
Roupas de poliéster têm avidez por elétrons.
Muito usado em empacotamento. É bom para experimentos.
O policloreto de vinila tem grande tendência em receber elétrons.
Maior tendência de receber elétrons entre todos desta lista.
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As melhores combinações de materiais para criar eletricidade estática são aquelas das
quais participam materiais tirados do alto da lista dos “positivos” e aqueles tirados do fim da
lista dos “negativos”.
Obs.: Uma das reclamações mais comuns das pessoas, em climas frios, é que delas saltam
faíscas quando tocam alguns objetos. Isto é causado tipicamente porque elas têm pele seca
que pode ficar altamente positiva, especialmente quando atritadas com roupas feitas de
poliéster, as quais adquirem cargas negativas. É altamente aconselhável que as pessoas que
adquirem facilmente cargas positivas, devido a sua pele seca, usem roupas feitas de algodão
que é um material “neutro”. Pessoas de pele úmida raramente reclamam de “choques” ao
tocarem objetos.
1.8 - Relâmpagos
Na atmosfera existem íons positivos e negativos (devido a raios cósmicos,
radioatividade de certos materiais, entre outros) os quais, quando presentes em uma saturação
de vapor de água no ar, desempenham o papel de aglutinadores de moléculas de água, dando
origem às nuvens, que naturalmente apresentam cargas elétricas.
Sempre associamos relâmpagos somente às nuvens carregadas, no entanto, os
relâmpagos também estão associados a outros fenômenos como, por exemplo, erupções
vulcânicas, tempestades de areia e até mesmo em explosões nucleares.
Os relâmpagos têm duração variada, podendo atingir até dois segundos, sendo que
neste intervalo de tempo podem alcançar até 30 mil ampères em um décimo de milésimo de
segundo e cerca de 0,1% atingem, aproximadamente, 200 mil ampères como valor de pico.
Fig. 1. 6 - Representação gráfica da intensidade de corrente e duração de um relâmpago.
Essa corrente flui por um canal de alguns centímetros e possui um comprimento médio
de 3 km. Ao passar por esse canal o ar é expandido, e este comprime o ar adjacente que
provoca um efeito sonoro conhecido como trovão. Esse efeito é provocado pela alta
temperatura do relâmpago que pode atingir 30 mil graus Celsius (cinco vezes a temperatura
da superfície do Sol).
Os relâmpagos são classificados em função do local onde se originam e do local onde
terminam, podendo ocorrer da nuvem para o solo, do solo para a nuvem, da nuvem para um
ponto qualquer na atmosfera ou entre nuvens.
Os relâmpagos de nuvens para o solo são os mais estudados devido ao seu caráter
destrutivo. Contudo, os relâmpagos podem ser negativo (em média 90%), positivo (em média
9%) e bipolares (em média 1%).
Os relâmpagos negativos transferem cargas negativas da região negativa dentro da
nuvem para o solo. Os positivos transferem cargas positivas da região de cargas positivas
próxima ao topo da nuvem para o solo e os bipolares transferem cargas de ambos os sinais
para o solo.
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Relâmpago negativo
Relâmpago Positivo
Relâmpago bipolar
Fig. 1.7 - Tipos de relâmpagos.
Os relâmpagos causam consideráveis prejuízos materiais além de perdas de vidas
humanas, tais prejuízos podem ser citados como, danificação da rede de distribuição de
energia elétrica, incêndios em florestas e residências e danos aos sistemas de telefonia e
telecomunicações, alguns destes danos podem ser evitados com o uso do pára-raios.
O pára-raios, invenção de Franklin, é basicamente constituído por uma ou mais pontas
de material de alto ponto de fusão, que são instalados nas posições mais elevadas da estrutura
que se pretenda proteger e interligadas por meio de fios, cujos extremos são aterrados a uma
profundidade razoável.
Uma nuvem eletrizada próxima a um pára-raios provoca uma indução eletrostática,
aparecendo nas pontas do pára-raios carga de sinal contrário ao da nuvem, pois se encontra
ligado a Terra. O fato de nas proximidades das pontas o campo elétrico ser elevado (poder das
pontas) ocorre a ionização do ar dessa região, tornando-o condutor e através do fio as cargas
das proximidades escoam “lentamente” para a Terra, evitando assim uma descarga intensa
(raio) e sem nenhuma interferência com o elemento que usa o pára-raios.
1.9 - Parte experimental
1.9.1 - Material necessário
•
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•
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•
•
•
•
•
Eletroscópio;
Bastão de acrílico;
Placa de isopor 15 x 15 cm;
Bolinha de isopor e suporte;
Pedaços de papel sulfite e papel alumínio;
Flanela;
Corpo metálico;
Haste isolante (régua ou tubo de caneta);
Massa de modelar;
Lâmpada néon.
1.9.2 - Procedimento experimental
1.9.2.1 - Eletrização por atrito
1. Eletrize a haste isolante atritando-a com a folha de papel;
2. Aproxime-a dos pedaços de papel sulfite e de papel alumínio;
3. Discuta o fenômeno observado.
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1.9.2.2 - Eletrização por indução
1. Com os materiais do laboratório construa um pêndulo e um eletróforo;
Obs.: O eletróforo é um aparelho que possui um corpo metálico (disco) preso a um suporte
isolante, permitindo armazenar e transportar cargas elétricas.
2. Aproxime o eletróforo do pêndulo;
3. Discuta os possíveis resultados;
4. Agora eletrize uma placa de isopor atritando-a com a folha de papel;
5. Segure o eletróforo pela haste isolante e pressione-o contra a superfície do isopor e em
seguida aproxime-o do pêndulo;
6. Pressione novamente o eletróforo ao isopor e toque com o dedo a parte metálica, ainda
pressionando, e em seguida aproxime-o do pêndulo;
7. Discorra sobre o ocorrido em cada item.
1.9.2.3 - Eletrização por contato
1. Eletrize o eletróforo;
2. Aproxime-o e afaste-o do eletroscópio, observando o movimento das lâminas;
3. Toque o eletroscópio com o eletróforo carregado;
4. Descarregue o eletroscópio tocando-o com o dedo;
5. Eletrize o eletroscópio novamente. Aproxime corpos eletrizados com cargas de sinais
diferentes;
6. Discuta e justifique os resultados obtidos e proponha uma utilização do eletroscópio para
descobrir o sinal da carga de um corpo a partir de outro corpo eletrizado com cargas de sinal
conhecido.
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