Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Eletricidade Parte 1 - Eletrostática Eletricidade A eletricidade é um fenômeno físico que tem origem nas cargas elétricas. A Eletrostática refere- se ao estudo das propriedades e do comportamento de cargas elétricas em repouso. A matéria é composta de átomos, que são constituídos por três partículas: prótons, elétrons e nêutrons. A estrutura atômica é composta pelo núcleo atômico, que possui os prótons e os nêutrons, e pela eletrosfera, onde ficam os elétrons, que orbitam o núcleo. A carga elétrica pode ser positiva ou negativa. Os prótons possuem carga elétrica positiva, os elétrons, carga negativa e os nêutrons não possuem carga. Em poucas palavras, podemos dizer que a carga elétrica é uma propriedade da matéria. Curiosidade! Até meio século atrás, os prótons e os nêutrons, juntamente com os elétrons, eram considerados partículas fundamentais, ou seja, partículas que não são formadas por nenhuma outra. Porém, depois de alguns experimentos e análises teóricas, os físicos descobriram que os prótons e os nêutrons eram formados por outras partículas, que foram batizadas de quarks. Existem seis tipos de quarks, que são conhecidos por nomes em inglês: up (u), down (d), top (t), bottom (b), strange (s), charm (c). Os prótons são formados por dois quarks up e um down, e o nêutron é formado por dois quarks down e um up. Corpo neutro Os corpos na natureza são formados por milhões de prótons e elétrons. Um corpo neutro é definido como aquele que possui a mesma quantidade de prótons e elétrons, como no exemplo ao lado, em que determinado corpo possui 3 prótons (P) e 3 elétrons (E). Os nêutrons nunca são representados, pois não têm carga. A carga total do corpo neutro, no caso, é nula. Um corpo está eletrizado quando o número de prótons e elétrons não é igual. Um corpo está eletrizado negativamente quando o número de elétrons é maior do que o de prótons e está eletrizado positivamente quando o número de prótons é maior do que o de elétrons. Eletrizando um corpo negativamente Para eletrizar um corpo negativamente, deve-se acrescentar um ou mais elétrons, de tal forma que o número de elétrons seja maior do que o de prótons. Quanto maior a quantidade de elétrons acrescentados, maior será a carga negativa do corpo. Considere o corpo neutro ao lado formado por 5 prótons e 5 elétrons: Acrescente-se 1 elétron e o corpo fica com 6 elétrons e 5 prótons, ou seja, 1 elétron em excesso. O corpo está carregado negativamente com carga de –1. E se 2 elétrons forem acrescentados ao corpo? Nesse caso, o corpo fica com 7 elétrons e 5 prótons, ou seja, 2 elétrons em excesso. O corpo está carregado negativamente com carga –2. Conclui-se que quanto maior a quantidade de elétrons acrescentados ao corpo neutro, mais eletrizado negativamente ele se torna. Eletrizando um corpo positivamente Os prótons e os nêutrons estão confinados em uma região do espaço conhecida como núcleo. A força de repulsão entre esses prótons é muito grande, devido à minúscula distância que os separa. Para mantê-los juntos, é necessária uma força especial, chamada de força nuclear forte. Portanto, os prótons não participam do processo de eletrização. Para eletrizar um corpo positivamente, retira-se um ou mais elétrons, de tal forma que o número de prótons seja maior que o de elétrons. Considera-se o corpo neutro ao lado e acima com 4 prótons e 4 elétrons. Retira-se um elétron do corpo, que se torna carregado positivamente de +1. Caso sejam retirados 2 elétrons, o corpo fica com carga de +2. Neutralizando um corpo Existem duas formas de neutralizar um corpo carregado: 1) Corpo carregado positivamente: Acrescentam-se os elétrons que faltam para que o número de elétrons se torne igual ao número de prótons. No exemplo ao lado, um corpo com 5 prótons e 3 elétrons está carregado positivamente com carga +2. Portanto, acrescentam-se 2 elétrons ao corpo e ele se torna neutro (5 prótons e 5 elétrons). Neutralizando um corpo 2) Corpo carregado negativamente: Retiram-se os elétrons em excesso para que o número de prótons se torne igual ao número de elétrons. No exemplo ao lado, um corpo com 3 prótons e 4 elétrons está carregado negativamente com carga –1. Portanto, retira-se 1 elétron do corpo e ele se torna neutro (3 prótons e 3 elétrons). Princípio da atração e repulsão (Lei de Du Fay) Cargas elétricas com o mesmo sinal se repelem, e cargas com sinais contrários se atraem. Dessa forma, prótons repelem prótons e elétrons repelem elétrons. Os prótons e os elétrons se atraem. A ilustração ao lado mostra as situações possíveis: Os raios Desconhece-se como as nuvens ficam carregadas. A teoria mais aceita é a de que a eletrização ocorre por meio do choque de partículas de gelo, água e granizo. As nuvens carregadas induzem carga de sinal contrário no solo. O ar é um isolante elétrico, porém, quando a eletrização da nuvem e do solo se torna muito alta, as cargas elétricas da nuvem se dirigem para o solo (o contrário também ocorre). Forma-se, então, o raio. Existem três tipos de raios: raios descendentes, que se formam nas nuvens e podem atingir o solo (são os mais perigosos); raios ascendentes, que partem do chão e, por meio de torres e arranha-céus, chegam as nuvens (são raros); raios entre nuvens (os mais comuns), que surgem da diferença de polaridade dentro das nuvens; Condutores e isolantes Um fio elétrico é constituído de um material condutor internamente e de um material isolante exteriormente. Os condutores são materiais que permitem a movimentação ordenada dos elétrons (ou de cargas positivas). Os metais são bons condutores de eletricidade e são usados em fios e cabos, além dos circuitos eletrônicos. São considerados materiais isolantes aqueles que não permitem a movimentação ordenada dos elétrons (ou de cargas positivas), impedindo que o choque aconteça. Eles são usados externamente nos cabos de eletricidade encontrados nos aparelhos de televisão, no computador, no carregador do celular, etc. A figura ao lado mostra alguns exemplos de condutores e isolantes. A Terra é um grande condutor Você sabia que a Terra é um grande condutor de eletricidade? Ela é capaz de ceder ou retirar elétrons de um corpo quando necessário, deixando-os neutros. Por essa razão, os aparelhos elétricos e eletrônicos possuem um fio especial, chamado fio terra. A função deste é permitir que elétrons em excesso em um aparelho escoem para a Terra, deixando-os neutros e evitando, assim, que as pessoas levem um choque elétrico ao encostarem no aparelho. Processos de eletrização Na prática, um corpo pode ser eletrizado de três formas: por atrito, contato ou indução. 1) Atrito Atritando certos corpos entre si, pode ocorrer a transferência de elétrons de um corpo para o outro. O corpo que perde elétrons deixa de ser eletricamente neutro e passa a estar eletrizado positivamente. O corpo que ganhou elétrons passa a estar eletrizado negativamente. Vamos considerar o exemplo ao lado, onde um bastão de vidro é atritado com um pedaço de lã. Consideremos que o bastão possui 8 prótons e 8 elétrons e a lã possui 10 prótons e 10 elétrons Processos de eletrização No momento em que ambos são atritados, 2 elétrons do bastão passam para a lã. O bastão perde 2 elétrons e fica carregado positivamente com carga +2 (8 prótons e 6 elétrons), enquanto a lã que recebeu 2 elétrons fica carregada negativamente com carga –2 (12 elétrons e 10 prótons). Conclusão: Na eletrização por atrito, a carga elétrica dos corpos possui o mesmo módulo, porém com sinais contrários. Princípio da conservação da carga elétrica Em um sistema isolado, a quantidade total de carga elétrica permanececonstante. No exemplo do bastão de vidro e da lã, antes do atrito, ambos estavam neutros. Portanto, a carga elétrica total do sistema era nula. Carga elétrica do vidro: nula Carga elétrica da lã: nula Carga total do sistema (vidro + lã): nula Após o atrito, a carga do bastão é +2 e a da flanela é –2. Portanto, a carga elétrica total do sistema também é nula. Carga elétrica do vidro: +2 Carga elétrica da lã: –2 Carga total do sistema (vidro + lã): +2 – 2 = 0 O princípio da conservação da carga elétrica é válido, ou seja, a carga elétrica do sistema, antes e depois do atrito, permanece constante. Processos de eletrização 2) Contato Na eletrização por contato, pelo menos um dos corpos deve estar eletrizado. Os exemplos a seguir mostram as duas situações possíveis; consideremos os dois corpos com as mesmas dimensões. 1ª situação – corpo eletrizado negativamente Considere-se um corpo com carga –4 (apenas os quatro elétrons em excesso estão representados) e um corpo neutro. Portanto, como eles têm o mesmo tamanho, a metade dos elétrons em excesso no corpo eletrizado passa para o corpo neutro. O corpo neutro recebe os dois elétrons e se torna eletrizado negativamente com carga –2, enquanto o corpo que cedeu os dois elétrons se mantém eletrizado negativamente, mas com carga –2. Processos de eletrização O princípio da conservação das cargas elétricas também é válido. A carga total do sistema antes do contato era –4: (–4 + 0 = –4) e após o contato permanece constante em –4: (–2 + (–2)) = –4 Processos de eletrização 2ª situação – corpo eletrizado positivamente Considere-se um corpo com carga +4 (apenas os quatro prótons em excesso estão representados) e um corpo neutro. Os prótons não podem ser transferidos de um corpo para outro. Nesse caso, ocorre a transferência do corpo neutro da metade dos elétrons que falta para eletrizar o corpo carregado positivamente. O corpo neutro perdeu dois elétrons e fica eletrizado positivamente com carga +2q enquanto o corpo que recebeu os dois elétrons continua eletrizado positivamente, porém com carga +2. Processos de eletrização O princípio da conservação das cargas elétricas também é válido. A carga total do sistema antes do contato era +4: (+4 + 0 = +4) e, após o contato, permanece constante em +4: (+2 + 2) = +4. Em ambos os casos, as esferas ficam carregadas com cargas iguais e de mesmo sinal. Conclusão: Na eletrização por contato, o corpo neutro adquire carga de mesmo sinal do corpo eletrizado. Processos de eletrização 3) Indução No processo de indução, os corpos não entram em contato. Para eletrizar outro corpo, um corpo carregado positivamente ou negativamente é aproximado dele. Vamos considerar a situação a seguir, em passos: Processos de eletrização 1° - Considere uma esfera B condutora sobre um suporte isolante. Aproxima-se um bastão A carregado negativamente. Uma parte das cargas negativas na esfera é repelida, e as cargas se distribuem de acordo com a ilustração ao lado: 2° - Até o momento, a esfera ainda não está eletrizada, pois nenhum elétron foi acrescentado ou retirado dela. Para que isso ocorra, liga-se um fio terra à esfera, e os elétrons em excesso são transferidos para a Terra. 3° - Por fim, retira-se o fio terra e afasta-se o bastão. A carga positiva se distribui uniformemente pela esfera. Esta se eletriza com carga de sinal contrário ao do bastão. Conclusão: Na indução eletrostática, o corpo inicialmente neutro adquire carga de sinal contrário à do corpo eletrizado. Curiosidade - A Gaiola de Faraday Qual o melhor lugar para se proteger de uma tempestade com raios? Dentro de um automóvel! Em um condutor, as cargas elétricas se distribuem pela sua superfície, ou seja, nenhuma carga elétrica se situa no interior do condutor. Simplificando, não há carga elétrica em movimento no interior do condutor, e, mesmo que um raio atinja um automóvel, nada acontecerá com a pessoa no seu interior. Esse dispositivo é conhecido como gaiola de Faraday. Um avião também se comporta dessa forma: quando passa por uma tempestade, os raios que o atingem, os elétrons em excesso, são escoados para o ar. A gaiola de Faraday também é conhecida como blindagem eletrostática. A blindagem não permite que ondas eletromagnéticas se formem no interior do condutor. Um celular enrolado em papel- alumínio, por exemplo, não recebe ligações, mesmo que o sinal da operadora esteja forte naquela região. Faça esse teste!
Compartilhar