Eletrostática e Cargas Elétricas

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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!