Aula02 FisicaC

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Física C (Eletricidade e Magnetismo) 
AULA 02
ESTRUTURA DA MATÉRIA
(REVISÃO)
Matéria, dentro de um conceito simplificado, é tudo o que ocupa lugar no espaço e apresenta
massa de repouso. Este conceito apesar de simplificado apresenta implicações filosóficas que
têm origem com os filósofos pré-Socráticos.
Noções sobre o que constitui a matéria variam ao longo do tempo entre culturas e história. A ideia
de que a matéria seria composta por uma partícula remetem ao século VI a.C. na Índia (com
Ajivika, Jaina e Charvacas). Já quase que contemporaneamente, uma ideia similar surge no
Ocidente, no século V a.C, com Leucipo, cujo o aluno Demócrito sistematizou o conceito de átomo
(do grego atomos, significando “indivisível”).
No final do século XVIII, com a Lei das Proporções Definidas de Proust e a Lei da Conservação de
Massa de Lavoisier, a relação entre os átomos e os elementos químicos começou a se
estabelecer. E, foi consolidada por Dalton nos primeiros anos do século XIX. Os átomos são ainda
as partículas mais simples a apresentarem propriedades químicas e cada elemento químico
possui um tipo de átomo diferente.
Para Dalton, o átomo ainda era visto como uma esfera indivisível. Mas, este modelo para o átomo
ainda não era capaz de explicar certos fenômenos observados.
Tales de Mileto, por volta de 600 a.C, observou que pedaços de âmbar (em grego eletron, uma
espécie de resina de árvore fossilizada) quando atritada em pelos de animais, atraia pequenos
fragmentos de palha. A observação de que não somente a atração ocorria, mas também a
repulsão, forneceu indícios de que este fenômeno poderia apresentar duas facetas. A matéria
carregava uma propriedade além da massa, chamada carga elétrica.
Este conceito de carga elétrica, levou Thompson, em 1897, a propor uma modelo conhecido como
“Pudim de Passas”, no qual o átomo seria uma esfera de matéria carregada positivamente,
incrustada por cargas negativas, os elétrons (vide Figura 1.1).
Em 1911, Rutherford, ao bombardear folhas de ouro, com partículas alfa (partículas emitidas por
elementos radioativos), notou que estas eram defletidas. Explicou esta deflexão pela existência de
um núcleo atômico carregado positivamente. 
Pelo modelo atômico de Rutherford, o átomo é constituído por um núcleo central, dotado de
cargas elétricas positivas ( Z prótons, onde Z representa o número atômico), envolvido por
uma nuvem de cargas elétricas negativas (elétrons).
Figura 1.1: Modelo atômico tipo “Pudim de Passas” de Thompson.
Alguns anos depois, Bohr completou o modelo de Rutherford, colocando os elétrons em órbitas
circulares com níveis de energia definidos em torno do núcleo central (mais energia implica em
órbitas mais externas), como mostra a Figura 1.2. 
Figura 1.2: Modelo atômico de Bohr.
Bohr ainda propôs que os elétrons poderiam mudar de órbita pela emissão (vai para órbita de
menor energia) ou absorção de energia (vai para órbita de maior energia). Também representado
na Figura 1.2, onde o elétron perde energia ao mudar para uma órbita mais interna.
Hoje sabemos que os átomos não são indivisíveis, como no conceito grego, e que possuem
núcleos formados por prótons e nêutrons, envoltos por elétrons, que o circundam em nuvens
orbitais (alimentado pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg, segundo o qual é impossível
determinar com precisão absoluta a posição e a velocidade do elétron em um dado instante de
tempo). 
Nos últimos 50 anos com o avanço dos aceleradores de partículas, cientistas têm colidido núcleos
atômicos para desvendar as partículas que os compõem. Sabe-se, hoje, que os prótons e
nêutrons são formados por partículas ainda mais elementares, os quarks. Tais quarks possuem
variedades diferentes, chamadas comumente de “sabores” e que arranjos distintos formam cada
um dos núcleons, próton e nêutron. Tais variedades são conjuntos de propriedades da matéria
como, por exemplo, massa e carga elétrica 
CARGA ELÉTRICA
Como vimos anteriormente, as partículas que formam o átomo possuem carga elétrica. Carga
elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria, mas não podemos vê-la isoladamente da
mesma forma que vemos a massa. Para testarmos se a partícula está carregada é necessário
colocá-la na presença de outra carga, o que faz com que a mesma seja sujeita a uma força. Esta
força pode ser de atração ou repulsão dependendo da natureza da partícula.
Partículas com cargas opostas se atraem, enquanto partículas com cargas iguais se repelem,
como ilustrado na Figura 1.3.
Figura 1.3: Atração e repulsão entre cargas.
A unidade de carga elétrica no SI[1] é o Coulomb (simbolizada pela letra C). A carga elétrica é
quantizada segundo a carga do elétron, e¯ . e¯ é comumente conhecida como carga
elementar. Os elétrons, apresentam carga negativa, por convenção −1e , e os prótons carga
positiva , 1e , enquanto os nêutrons não apresentam carga elétrica, 0e . A Tabela 1.1 mostra
a massa e a carga das partícula atômica.
[1] SI – Sistema Internacional de Unidades
Partícula Massa
(kg)
Carga
(C)
Próton 1,673×10−27 1,602×10−19
Nêutron 1,673×10−27 teoricamente nula
Elétron 9,109×10−31 1,602×10−19
Tabela 1.1: Cargas e Massa das Partículas Atômicas.
Note que para se obter uma carga de 1 Coulomb são necessários cerca de 6.241x1018 elétrons.
Pois, o número de elétrons é igual a 1 C dividido pela carga do elétron e¯ . Assim, a carga total
de um corpo é dada pelo número total absoluto de partículas carregadas n que ele possui, ou
seja, 
n=|ne – np|
sendo np o número de prótons e ne o número de elétrons.
A carga elétrica Q de um corpo é, então, determinada pelo número total absoluto de partículas 
carregadas 
Q=n⋅e
Quando uma partícula possui o mesmo número de elétrons e prótons, np=ne , dizemos que a
partícula é eletricamente neutra, ou seja, sua carga total é nula, pois n=0 . Por exemplo, um
átomo é naturalmente neutro, pois possui igual número de prótons e elétrons, mesmo que ele
possua nêutrons, já que os mesmos apresentam carga nula.
Quando, por alguma razão, há um desbalanço entre o número de prótons e elétrons na partícula,
ela torna-se eletricamente carregada, sendo chamada de íon. Quando, no íon, o número de
prótons é maior que o número de elétrons np>ne , têm-se um cátion, ou seja, um corpo ou
partícula eletricamente positivo. Quando o número de prótons é menor que o número de elétrons
np<ne têm-se um ânion, ou seja, um corpo ou partícula eletricamente negativo.
CONSERVAÇÃO DE CARGA
Em um sistema isolado, a somatória das cargas das partículas é sempre constante. Ou seja, em
um sistema isolado mesmo que as quantidades de cargas positivas e negativas sejam transferidas
entre as partículas (objetos ou corpos) do sistema, a quantidade total de cargas deve ser
conservada. Este princípio é conhecido como Princípio da Conservação de Cargas Elétricas.
(1.1)
(1.2)
Exemplo: Considere dois objetos A e B, em um sistema isolado, inicialmente, com cargas
Q1=+10C e Q2=−2C , respectivamente. A quantidade de cargas total do sistema é
Q=Q1+Q2
Q=10C – 2C
Q=8C
Caso ocorra troca de cargas entre os corpos, a quantidade de carga dos objetos A e B será
modificada, teremos
Q'1=
Q
2
 ; Q'2=
Q
2
Q'1=4C ; Q'2=4C
No entanto, a quantidade total de carga do sistema será mantida
Q'=Q'1+Q '2=8C
Ou seja, 
então, 
Q1+Q2=Q'1+Q '2
Logo, pelo princípio da conservação das cargas elétricas, 
∑Qi=∑Qf
Desta forma, podemos dizer que a carga final de cada objeto será a mesma e igual a carga total
inicial média
Qf=∑i=1
n Qi
n
onde n é o número total de objetos do sistema.