Vamos iniciar agora nosso estudo sobre eletricidade e seus fenômenos. Abordaremos desde os conceitos básicos sobre cargas elétricas e como os corpos podem adquirir propriedade até fenômenos grandiosos como os raios.
CARGAS ELÉTRICAS
A carga elétrica é a grandeza fundamental da eletricidade e pode ser positiva ou negativa.
Observação: A unidade de medida de carga elétrica no Sistema Internacional (SI) é o Coulomb (C).
No interior de um átomo há um núcleo muito pequeno e denso, onde se encontram os prótons e os nêutrons, circundados por elétrons na eletrosfera.
Representação de um átomo
Por convenção, os prótons possuem carga positiva, os elétrons têm carga negativa. Já os nêutrons não possuem carga elétrica. Cada uma dessas partículas carregadas corresponde a menor unidade de medida de carga elétrica ou carga elementar, cujo valor no SI é:
- Carga do próton: qpróton = +e = 1,6 × 10-19 C
- Carga do elétron: qelétron = -e = -1,6 × 10-19 C
- Carga do nêutron: qnêutron = 0
CORPOS ELETRIZADOS
Os átomos são partículas neutras por possuírem a mesma quantidade de prótons e elétrons. No entanto, quando essas quantidades são distintas, as partículas se tornam eletrizadas. Para eletrizar um corpo, podemos apenas adicionar ou retirar elétrons, pois eles estão mais fracamente ligados ao núcleo do átomo e podem ser removidos ou adicionados mais facilmente. O sinal da carga do corpo vai depender de qual operação realizamos:
- Corpo neutro: npróton = nelétron.
- Corpo eletrizado positivamente: npróton > nelétron. Para isso devemos RETIRAR elétrons.
- Corpo eletrizado negativamente: npróton < nelétron. Para isso devemos ADICIONAR elétrons.
A carga elétrica (Q) de um corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar, porque na eletrização, um corpo só pode receber ou perder um número inteiro (N) de elétrons.
Q = (nprotons – neletrons) · eQ = N · e
INTERAÇÕES ELÉTRICAS
Vamos agora estudar como cada um desses corpos eletrizados interagem entre si.
LEI DE DUFAY
Você com certeza conhece essa lei, mas não deve ter ouvido o nome ainda. Ela afirma que cargas de mesmo sinal sofrem força de repulsão, enquanto cargas com sinais contrários, forças de atração.
Representação da interação entre cargas elétricas
Essas forças F12 e F21 são forças que constituem um par de ação e reação, tendo seus módulos iguais e sentidos opostos.
LEI DE COULOMB
A força elétrica, como a gravitacional, diminui com o inverso do quadrado da distância entre os cargas. Essa relação foi descoberta por Charles Coulomb, no século XVIII e estabelece que, para duas cargas pontuais, a força de interação varia diretamente com o produto de suas cargas, e inversamente com o quadrado da distância que separa os corpos.
Assim, para duas partículas pontuais eletrizadas com cargas q1 e q2 afastadas por duas distância d a lei de Coulomb pode ser expressa como:
Em que:
- K é a constante eletrostática
- No vácuo, ela vale K0 = 9,0 × 109 N · m2/C2
- Podemos escrever a constante eletrostática em função da permissividade elétrica ε
- No vácuo, essa constante vale:
Gráfico da força elétrica pela distância
CORPOS ISOLANTES E CONDUTORES
Podemos classificar todas as substâncias de acordo com sua facilidade de conduzir as cargas elétricas.
CONDUTORES
Esses materiais conduzem com muita facilidade as cargas elétricas, pois os elétrons estão livres pelo material gerando um mar de elétrons. Quando um condutor é eletrizado, a carga em excesso busca um equilíbrio, distribuindo-se pela superfície externa do material. Metais são bons condutores de eletricidade.
ISOLANTES
Esses materiais não conduzem facilmente as cargas elétricas, pois os elétrons estão fortemente ligados a uma rede e são pouco livres para se movimentar. Quando um isolante é carregado, a carga elétrica excessiva fica concentrada na região em que ocorreu a eletrização. Plástico, vidro, madeira e água pura são maus condutores de eletricidade.
Observação: Na verdade não existem isolantes perfeitos, eles são maus condutores de eletricidade.
PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO
Conforme já falamos, para eletrizarmos um objeto devemos adicionar ou retirar elétrons dele através de algum dos processos de eletrização.
PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA
Um princípio básico da física é que durante os processos de eletrização, nenhum elétron é criado ou destruído, eles são simplesmente transferidos entre os materiais. Dessa forma, o total de carga de um sistema isolado permanece constante.
ATRITO
Quando dois corpos isolantes de materiais diferentes são esfregados, os elétrons saltam de um corpo para o outro. Assim, o que perde elétrons fica eletrizado positivamente, enquanto o que ganha, negativamente.
Eletrização por atrito do vidro com lã
ATENÇÃO: Na eletrização por atrito, os corpos adquirem cargas de MESMO MÓDULO e SINAIS OPOSTOS.
Exemplo:
No nosso cotidiano, temos vários situações em que ocorre a eletrização por atrito.
- Se você esfregar uma caneta na parede, ela fica grudada.
- Se você esfrega a mão em um plástico e encostá-la no seu corpo, sentirá um leve choque.
Observação: Para saber qual o sinal da carga quando dois corpos forem atritados, utilizamos a tabela abaixo conhecida como série tribolelétrica. Ela mostra a tendência relativa dos corpos em perder ou ganhar elétrons, ou seja, em ficar positivo ou negativo.
Série triboelétrica
CONTATO
Quando dois condutores de mesmo tamanho são encostados um no outro, com pelo menos um deles eletrizado, as cargas elétricas se espalham pelas suas superfícies dos dois corpos até atingirem o equilíbrio elétrico.
ATENÇÃO: Na eletrização por contato, se os corpos forem iguais, eles adquirem cargas de MESMO MÓDULO e MESMO SINAL.
Etapas da eletrização por contato
Observação: Se os condutores forem esféricos e de tamanhos diferentes, a carga se divide proporcionalmente aos seus raios.
ATERRAMENTO
A Terra é um grande condutor, muito maior que os corpos eletrizados que podem entrar em contato com ela. Portanto, um condutor em contato com a ela será neutralizado em um processo chamado de aterramento.
- Condutor com carga positiva: a Terra cede elétrons para ele.
- Condutor com carga negativa: a Terra retira elétrons dele.
Aterramento
INDUÇÃO
Quando aproximamos um objeto carregado (indutor) de uma superfície condutora (induzido), há movimento dos elétrons, mesmo sem o contato físico. Podemos realizar a eletrização do induzido fazendo o seguinte processo:
(a) Duas esferas condutoras A e B estão contato formando um único condutor
(b) Um bastão carregado, negativamente por exemplo, é colocado próximo de A. Os elétrons dos metais são repelidos provocando uma redistribuição nas cargas.
(c) Agora A e B são separadas ainda na presença do bastão
(d) O bastão é afastado, sem tocar em nenhum momento os corpos, e as esferas ficarão igualmente carregadas, mas com sinais opostos.
Eletrização por indução
FORMAÇÃO DOS RAIOS
As partes mais baixas das nuvens devido ao atrito com a atmosfera ficam negativamente carregadas e induzem uma carga positiva sobre a superfície da Terra. O ar atmosférico é isolante e, portanto, dificulta o movimento das cargas. Mas quando essa carga é muito alta (cerca de 100.000 V), o ar passa a conduzir e ocorre a descarga elétrica conhecida como raio.
Processo de formação dos raios
ELETROSCÓPIOS
É o aparelho responsável pela identificação da eletrização de um corpo. Se um corpo está eletrizado, o eletroscópio identificará facilmente.
Existem dois tipos bem comuns de eletroscópios, o pêndulo eletrostático e o eletroscópio de folhas.
O pêndulo eletrostático é formado por um suporte, uma base isolada que não conduz corrente elétrica e por um fio de seda com uma esfera metálica pendurada. Eletriza-se a esfera com determinada carga positiva ou negativa e aproxima-se o corpo o qual se deseja saber a carga. Se, por exemplo, a bola for eletrizada positivamente, aproxima-se dela o material com carga desconhecida. Se esta esfera atrair-se para o corpo, este estará eletrizado negativamente; se ao contrário, a esfera repelir-se, o corpo estará eletrizado positivamente.
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O eletroscópio de folhas é composto por uma garrafa transparente isolante, fechada por uma rolha igualmente isolante. Na parte de cima, uma esfera metálica. No interior, duas finíssimas folhas metálicas, de ouro ou de alumínio. Se o eletroscópio estiver neutro, suas folhas estarão abaixadas. A aproximação de um corpo carregado à esfera superior induz cargas no sistema, e as folhas se separam, por possuírem cargas de mesmo sinal. Se esse corpo carregado tocar a esfera superior, o eletroscópio também ficará eletricamente carregado.
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A Lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Foi formulada e publicada pela primeira vez em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb e foi essencial para o desenvolvimento do estudo da Eletricidade.
