Apresentacao Carga eletrica graça

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Aula 1_1 
Carga 
Elétrica 
Capítulo 1 
Física Geral e Experimental III 
Prof. Cláudio Graça 
2012 
Carga Elétrica 
• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo 
atômico: 
• Carga elétrica está relacionada a dois conceitos básicos: carga elétrica e 
partícula portadora de carga. 
 
2. Partícula portadora de carga elétrica: Entende-se por portadores de cargas elétricas, 
partículas que são eletricamente carregadas. Nos metais, o portador de carga elétrica negativa é 
o elétron já nos fluidos, o portador de carga elétrica positivos são cátions, pois esse íons 
tem prótons em excesso. Os prótons são partículas que compõe o núcleo do átomo. Ao contrário do 
elétron, o próton não é uma partícula elementar, pois, são formadas por partículas denominadas quarks. 
 
1. A propriedade: carga elétrica; a carga elétrica é uma propriedade física da matéria positiva 
 ou negativa. 
Pela teoria atual, as menores partículas portadoras de carga elétrica, os prótons e os elétrons, são 
indivisíveis. Esse fato faz com que a quantidade de carga elétrica não possa assumir quaisquer valores, 
sendo possíveis somente valores múltiplos de quantidade de carga elementar (e). 
 Dizemos que a quantidade de carga elétrica de um corpo é quantizada. 
 E que A carga elétrica é conservada, ou seja nunca se observou o seu aniquilamento ou 
criação 
Carga Elétrica 
• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo 
atômico 
Partícula Massa 
(grama) 
Massa 
relativa 
Carga elétrica 
(Coulomb) 
Carga líquida 
Próton (+) 1,7.10-24 1 +1,6.10-19 +1 
Nêutron (0) 1,7.10-24 1 0 0 
Elétron (-) 9,1.10-28 1/1840 -1,6.10-19 -1 
Carga Elétrica 
• Carga Elétrica é positiva (+) ou negativa (-) 
 
• Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de 
prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura. 
 
• Quando, por um processor qualquer, se consegue desequilibrar o número de 
prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado. 
 - O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso 
 ou em falta: 
 - Se o corpo possui um número de prótons maior que o de elétrons, 
 o corpo está eletrizado positivamente, 
 - se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é 
 dito eletrizado negativamente. 
• Corpos polarizados: condutor e isolante 
Qual o significado de um corpo eletricamente carregado? 
Carga Elétrica 
• Um fluxo ordenado de cargas positivas ou negativas, é denominado de 
corrente elétrica. 
• Nos condutores a corrente elétrica é produzida pelo fluxo controlado de 
elétrons 
• Os materiais que permitem o fluxo de carga são chamados condutores, 
materiais que não permitem o fluxo de carga são denominados isolantes. 
Condutores: Metais, água, NaCl fundido 
 
• Nos materiais ionicos como sais fundidos, a condução é iônica, por ions 
positivos e negativos em direções opostas 
 
• Nos semicondutores a condução é de elétrons e de buracos (falta de elétrons 
que funcionam como partículas positivas. 
Como ocorre a corrente elétrica? 
Processos de eletrização 
Atrito 
Contato 
Indução 
Estas noções da eletrização foram desenvolvidas antes de se 
conhecer a natureza atômica da carga elétrica e dos processos 
físicos envolvidos em condutores e isolantes. 
Eletrização: condutores e isolantes 
• Materiais Condutores Elétricos 
 Elétrons quase livres: metais 
• Materiais Isolantes 
 Não possuem elétrons livres: vidro, porcelana, 
plásticos 
Eletrização de Condutores 
Eletrização por efeito do campo elétrico 
externo, sobre um condutor produzindo 
separação de cargas 
Eletrização de Isolantes 
Eletrização por efeito do campo elétrico 
externo, sobre um isolante produzindo a 
polarização ou mesmo ionização superficial 
Distribuição uniforme de carga Distribuição localizada da carga 
Eletrização de Condutores 
Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um 
condutor produzindo separação de cargas 
Distribuição uniforme de carga 
A eletrização dos condutores resulta na polarização global do condutor, aparecendo um 
campo que se opõe ao campo externo anulando o campo no interior do condutor. 
Eletrização de Isolantes 
Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um 
isolante produzindo a polarização ou mesmo ionização 
superficial 
 
Distribuição localizada da carga 
Eletrização: Modelo de eletricidade 
Condutor de cobre 
L= 1cm e raio 0,005 cm 
Átomo de Cobre: 
Z=29(prótons), N= 34(nêutrons), 
29 Elétrons 
Pergunta: Qual é a carga elétrica no material responsável pela condução 
 elétrica, e quantos elétrons participam da corrente elétrica? 
Carbono e diamante 
Cobre (Cúbica de Face Centrada) 
Considerando um material sólido como um condutor de cobre: o próton se 
encontra em posições fixas da estrutura cristalina. Nos condutores alguns 
elétrons são chamados livres. Quantos são os elétrons livres no cobre? 
elétrons107,854
melétrons/c
omoelétron/át
mol
cmátomos/mol
5-
3
3
18222
22
23
10675,6105,8)(
105,8
1
/5,6
/92,81002,6





rLnN
g
g
M
N
n
ee
A
e


Compare com a população da terra! 
Condutores 
 Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa 
facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está 
muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de 
valência). 
 
 Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o 
que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron 
(elétron livre). 
Número atômico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo) 
K=2 2n2 = 2x12 = 2 
L=8 2n2 = 2x22 = 8 
M=18 2n2 = 2x32 = 18 
N=1 
K L M N 29P 
Elétrons Livres 
Um condutor elétrico é um corpo que permite movimentação de cargas elétricas. A movimentação de 
cargas elétricas num condutor depende de partículas denominadas "portadores de cargas", como os 
elétrons e os íons, dependendo do estado físico do condutor. 
 
Estado Físico Portadores de carga Exemplo 
Plasma íons (+) e elétrons (-) 
 raios; arcos elétricos; tela de TV; raios; lâmpadas 
fluorescentes; etc 
Gasoso íons (+) e elétrons (-) gás ionizado 
Líquido íons(+) e íons(-) Água do mar; soluções iônicas 
Solido "elétrons livres" condutores metálicos; semicondutores 
Nos metais, os átomos que formam a rede cristalina - característica das 
ligações metálicas - perdem elétrons, tornando-se íons (+). Os elétrons 
que se libertam passam a se movimentar caoticamente com muita 
liberdade por toda rede, formando uma espécie de mar de elétrons ao 
redor dos íons (+). 
Estes elétrons, que não mais pertencem a um único átomo, são os 
"elétrons livres" que se ficarem sujeitos a um campo elétrico externo se 
movimentam em função da força elétrica deste campo. 
 
Isolantes 
 Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não 
cedem facilmente elétrons já que a sua camada de valência 
está quase completa (para estar completa deveria ter 8 
elétrons de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste 
caso. 
 
 Estes materiais não são condutores de corrente elétrica 
porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-lhes 
uma grande energia para passar os elétrons de banda de 
valência para a banda de condução. 
 
Eletrização por atrito 
• Série Triboelétrica: 
Positivo (Perdem elétrons facilmente) 
Ar 
Asbestos 
Pele de coelho 
Vidro 
Mica 
Acrílico 
Cabelo Humano 
Nylon 
Lã 
Pele 
Chumbo 
SedaAlumínio 
Papel 
Algodão 
aço 
Madeira 
Cera 
borracha 
Niquel, cobre 
Latão 
Ouro, Platina 
Enxofre 
Acetato, rayon 
Poliester 
Stireno 
Orlon 
Polyurethane 
Polypropylene 
Vinyl (PVC) 
Silicio 
Teflon 
Negativos (Ganham eletrons facilmente) 
Medida da carga elétrica 
• Eletroscópios 
• Eletróforo 
• Eletrômetro digital 
• Balança de Coulomb 
Medida da carga elétrica: eletroscópios 
Eletrização por indução 
Elétroforo (Indução) Electrophorus 
• Atrite a superfície da placa de espuma com seda. 
• Coloque uma placa de alumínio com suporte isolante próximo à 
 paca de espuma. 
•Toque o alumínio para aterramento. 
•Separe as placas. Qual será a carga na placa de alumínio? 
•Repita n vezes… 
- - - - - - 
- - - - - - 
++++++++ - - - - - - - - - 
++++++ ++++++ 
- - - - - - 
Solução: As cargas negativas (elétrons), imóveis na superfície da placa de espuma, 
repelem os elétrons na placa de alumínio (condutor). Quando se faz o aterramento da placa 
de alumínio, os elétrons são repelidos pelo terra deixando a placa carregada positivamente. 
Este processo repetido n vezes e a carga da placa de alumínio será exatamente a mesma, 
permitindo realizar experimentos com carga multípla desta. 
Terra 
Medida da carga elétrica 
• Balança de Coulomb 1777 
• Eletroforo de Volta 
 O Eletróforo é uma das mais simples máquinas de indução 
eletrostática. Foi inventado em 1775, por Alessandro Volta. 
A Carga elétrica é Quantizada e Conservada 
 Existe uma quantidade mínima de carga, que é dada pelo valor da carga do 
elétron : e 
 
 Qualquer carga q deve ser um valor inteiro de cargas: 
 
 
 
 
 A carga Total (= carga liquida ) é conservada. 
As cargas podem ser criadas: 
n  p+ + e- + partícula neutra, ou destruídas: 
e- + e- = 2 gamas (raios-x) 
Entretanto, a carga liqüida não varia, pois os valores da carga do próton, elétron e 
pósitron são idênticos 
19
, 1,2,3,...
1.60 10 C
q ne n
e 
  
 
Quantização da Carga 
 
O que significa quantização de carga? 
• Elétron - Descoberto em 1911 por Robert A. Milikan no experimento 
de queda de gota liquida. 
 
• A unidade de carga, e, nunca se observou como sendo divisivel 
 
• Exemplo: supondo uma carga de um objeto, de 1 nC (10-9 C). 
Quantas unidades elementares formam essa carga? 
 Q=N*e portanto N= Q/e = 10-9 C/ 1.6*10 -19 C/e = 6*109 = seis 
 bilhões de unidades de carga ou elétrons. 
Conservação de Carga 
• O atrito não produz carga, simplesmente transfere 
carga de um corpo para outro, ou melhor polariza.. 
 
• Reações nucleares  0 = e+ + e- 
 
• Decaimento radioativo  238U92 = 
234Th90 + 
4He2 
 
• Reações de alta energia  e- + p+ = e- + p+ + n0 
 
Conservação da carga elétrica é o princípio em física que estipula que a carga 
elétrica não pode ser criada ou destruída 
O experimento de Coulomb 
Charles A.Coulomb (1736 – 1806) 
F = k·[q1·q2]/d2 
Cargas elétricas - Unidade de carga 
1 coulomb = 1 C 
k = 9×109 N/C2·m2 
d = distância entre as cargas em “m” 
Lei de Coulomb 
A medida da força na balança de Coulomb foi feita 
em duas etapas, na primeira Coulomb estudou a 
torção de fibras muito finas, encontrando a 
expressão para a força de torção em termos do 
diâmetro da fibra e do seu comprimento. 
Dessa maneira, experimentalmente ele pode com-
parar os torques produzidos pela repulsão entre 
as esferas carregadas e o torque resistente 
oferecido pela fibra. 
Na qual b é o braço de alavanca do experimento 
Para comprovar a lei basta determinar o expoente 2 
Lei de Coulomb 
1 2 1 2
2 2
0
1
4
q q q q
F k
r r
 
1 2 3 ...totF F F F   
 
2
12
20 22 7 -2 -1
0
1 1 C8.8541878... 10
Nm4 10 NA 299792458 msc
       
9
0
1
8.99 10 (SI)
4
k

  
A constante 0 é bem conhecida em termos da velocidade da luz cujo valor é 
conhecido com exatidão (define o metro!) : 
Esta constante é muito grande, como resultado 
duas cargas de 1 Coulomb que estão a 1m entre si, 
exercem uma força muito grande. Usualmente as 
cargas são muito menores. 
Principio da 
Superposição: 
F1 and F2 são um par de 
ação e reação 
3a lei! 
r = distância = separação e não é um 
raio! 
Comparação de forças: 
Elétrica x Gravitacional 
. * Para um próton, 
 q = 1.6 X 10-19 C 
 m = 1.67 X 10-27 kg 
m1
m2
F elec = 
1
4 0
 
q 1 q 2
r 2
 
F grav = G 
m 1 m 2
r 2
 
F elec
F grav
 = 
q 1 q 2
m 1 m 2
 
1
4 0
G 
 F
F
elec
grav
  123 10 36.
Nota: a menor força existente na 
natureza! 
1 2 q 
m1 m2 
q 
r 
F F 
Lei de Coulomb 
Dimensão da carga (esférica). 
Exatamente como no caso da gravitação: 
Fora de uma casca de carga uniformemente distribuída, 
Q, a força sobre uma casca de carga é igual aquela em 
que a carga Q estivesse localizada no centro da esfera. 
2r
Qq
kF 
Princípio da Superposição 
Força elétrica produzido por mais que uma 
carga pontual 
F 
 
 F 1 
 
 
F 2 
 
-q 
+q1 
+q2 
• Qual é a força que atua em –q, devido a 
q1 e q2? 
 
– Tal como na mecânica se aplica o 
Princípio da Superposição: 
 
– A FORÇA TOTAL, sobre um objeto é igual 
à soma vetorial de todas as componentes. 
 F 
 
 = F 1 
 
 + F 2 
 
Princípio da Superposição 
Como se aplica a lei de Coulomb quando se consideram 
mais de duas cargas? 
Princípio da Superposição 
Resumo: Eletrostática é baseada 
 em quatro fatos empíricos 
 
• Conservação da carga 
 
• Quantização da carga 
 
• Lei de Coulomb 
 
• Princípio da Superposição 
Na próxima aula faremos exercícios sobre estes quatro princípios! 
Princípios da Eletrostática 
Máquinas Eletrostáticas 
• Eletroscópio 
• Eletróforo 
• Garrafa de Leyden 
• Gerador de Van der Graaff 
• Gerador de Wimshusrt 
• Pistola eletrostática 
 
http://www.coe.ufrj.br/~acmq/eletrostatica.html 
Eletroscópio e Eletrômetros 
http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_T05.asp 
Dispositivo elétrico descoberto acidentalmente 
pelo físico holandes Pieter van Musschenbroek 
da universidade de Leiden em 1746, e também 
inventado de forma independente pelo alemão 
Ewald Georg von Kleist em 1745 
Garrafa de Leiden 
Foi Gilbert que denominou os 
Fenômenos de atração e repulsão 
por materiais atritados de fenômenos 
Elétricos (da palavra grega âmbar =Elektron) 
Isolantes: ÂMBAR 
O âmbar é uma resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais. Embora não 
seja um mineral, às vezes é considerado e usado como uma gema. Sabe-se que as árvores 
(principalmente os pinheiros) cuja resina se transformou em âmbar viveram há milhões de anos em 
regiões de clima temperado. Nas zonas cujo clima era tropical, o âmbar foi formado por plantas 
leguminosas. 
 
Máquinas Eletrostáticas 
Primeira máquina eletrostá-
tica, inventada por Otto von 
Guerricke (1602–1686), por 
volta de 1663 
Máquina eletrostática de 
Wimshurst, inventada em 
1883 por James Wimshrust 
(1832-1903) 
Máquinas Eletrostáticas 
Gerador 
Eletrostático do 
nosso Laboratório, 
também é um 
Van de Graaff 
Máquinas Eletrostáticas 
Gerador de Van de Graaff 
A ) Terminal de carga: casca esférica de alumínio 
B) Escova superior, serrilha de aluminio 
C) Cilindro superior de suporte da correia isolante 
D) Correia isolanteE) Motor 
F) Escova inferior 
G) Cilindro inferior 
Campo criado pelo 
Gerador Eletrostático 
Van de Graaff 
Máquina de Wimshurst 
Pintura Eletrostática 
Descarga elétrica por carga estática 
Atenção 
Eletricidade estática 
representa um risco de 
explosão por chispas 
 
Nunca encha tanque 
que se encontram no 
veículo 
 
Sempre coloque os 
tanques no solo