Capítulo 21 - Carga e Matéria

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Halliday
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Capítulo 21
Cargas Elétricas
Cargas Elétricas
Carga Elétrica – é uma característica intrínseca das partículas fundamentais.
A imensa quantidade de cargas presente nos objetos está em equilíbrio (objetos 
eletricamente neutros).
Eletricidade
Eletromagnetismo
Magnetismo
Dois tipos de cargas → Carga vítrea e carga resinosa → Cargas positivas e negativas (Franklin)
Eletricidade → elétron → élektron (grego) → âmbar
Magnetismo → magnetita → Magnésia 
Oesterd em 1820 encontrou uma ligação entre 
Eletricidade e Magnetismo
Cargas Elétricas
Formas de Eletrização
• Eletrização por atrito
• Eletrização por contato
• Eletrização por indução
Condutores e Isolantes
Condutores são materiais nos quais as cargas elétricas se movem com facilidade, como os metais, o
corpo humano e a água de torneira.
Não condutores, também conhecidos como isolantes, são materiais nos quais as cargas não se
movem, como a borracha, os plásticos, o vidro e a água destilada.
Semicondutores são materiais que possuem propriedades elétricas intermediárias entre as dos
condutores e as dos não condutores, como o silício e o germânio.
Supercondutores são condutores perfeitos, materiais nos quais as cargas se movem sem encontrar
resistência.
As propriedades elétricas dos materiais são determinadas pela estrutura atômica.
Os átomos são formados por três tipos de partículas: os prótons, que possuem carga elétrica positiva,
os elétrons, que possuem carga elétrica negativa, e os nêutrons, que não possuem carga elétrica. Os
prótons e nêutrons ocupam a região central do átomo, conhecida como núcleo.
Quando os átomos de um material condutor como o cobre se unem para formar um sólido, alguns
elétrons mais afastados do núcleo (que estão, portanto, submetidos a uma força de atração menor) se
tornam livres para vagar pelo material, deixando para trás átomos positivamente carregados (íons
positivos). Esses elétrons móveis recebem o nome de elétrons de condução.
Os materiais não condutores não possuem elétrons de condução.
Dois átomos
isolados
Molécula 
diatômica
Muitos átomos próximos
A proximidade dos átomos faz com que os níveis mais elevados se 
superponham formando bandas.
Condutores e Isolantes
Uma barra de cobre neutra é isolada eletricamente da terra ao ser suspensa por um fio de
material não condutor. Uma barra de plástico eletricamente carregada atrai a extremidade da
barra de cobre que estiver mais próxima. Isso acontece porque os elétrons de condução da barra
de cobre são repelidos para a extremidade mais afastada da barra pela carga negativa da barra
de plástico, deixando a extremidade mais próxima com uma carga total positiva. Como está
mais próxima, a carga positiva é atraída pela carga negativa da barra de plástico com mais força
que a carga negativa que se acumulou na outra extremidade é repelida, o que produz uma
rotação da barra de cobre.
Dois pedaços de uma pastilha de gaultéria se afastando 
um do outro. Os elétrons que saltam da superfície 
negativa do pedaço A para a superfície positiva do 
pedaço B colidem com moléculas de nitrogênio (N2) do
ar.
A força associada à carga elétrica dos objetos é 
chamada de força eletrostática.
A equação usada para calcular a força entre duas 
partículas carregadas é chamada de lei de Coulomb:
onde q1 e q2 são as cargas das partículas,é um vetor 
unitário na direção da reta que liga as duas partículas, 
r é a distância entre as partículas e k é uma constante.
A unidade de carga elétrica do SI é o coulomb. A 
constante k é dada por
onde ε0 é a chamada constante elétrica:
Lei de Coulomb
Corrente elétrica é a taxa de variação com o tempo, 
dq/dt, da carga que passa por um ponto ou região do 
espaço:
onde i é a corrente elétrica (em ampères) e dq (em 
coulombs) é a quantidade de carga que passa por um 
ponto ou uma região do espaço no intervalo de tempo 
dt (em segundos).
Assim,
Lei de Coulomb
é a força que age sobre a partícula 1 devido àonde, por exemplo, 
presença da partícula 4.
Em um sistema de n partículas
carregadas, as partículas
interagem independentemente
aos pares, e a força que age
sobre uma das partículas, a
partícula 1, por exemplo, é dada
pela soma vetorial
Princípio da Superposição
 
Exercida por Várias
Partículas
Figura 21-8 (a) Duas partículas de
cargas q1 e q2 são mantidas fixas no
eixo x.
(b) Diagrama de corpo livre da 
partícula 1, mostrando a força 
eletrostática exercida pela partícula 2.
Exemplo: Força Total Exercida por Várias Partículas (continuação)
Figura 21-8 (c) Inclusão da
partícula 3. (d) Diagrama de
corpo livre da partícula 1.
Exemplo: Força Exercida por Várias Partículas (continuação)
Figura 21-8 (e) Inclusão da partícula
4. (f ) Diagrama de corpo livre da 
partícula 1.
Exemplo: Equilíbrio de Duas Forças
O equilíbrio no ponto x = 2L é instável. Quando o 
próton é deslocado para a esquerda em relação ao 
ponto R, F1 e F2 aumentam, mas F2 aumenta mais 
(porque q2 está mais próxima que q1), e a força 
resultante faz com que o próton continue a se 
mover para a esquerda até se chocar com a carga
q. Quando o próton é deslocado para a direita em 
relação ao ponto R, F1 e F2 diminuem, mas F2 
diminui mais, e a força resultante faz com que o 
próton continue a se mover indefinidamente para 
a direita. Se o equilíbrio fosse estável, o próton 
voltaria à posição inicial depois de ser deslocado 
ligeiramente para a esquerda ou para a direita.
Exemplo: Distribuição de Cargas
(1) Como as esferas são iguais, devem terminar 
com cargas iguais (mesmo sinal e mesmo valor 
absoluto). (2) A soma inicial das cargas (incluindo 
o sinal) deve ser igual à soma final das cargas. 
Raciocínio Quando as esferas são ligadas por um 
fio, os elétrons de condução (negativos) da esfera 
B, que se repelem mutuamente, podem se afastar 
uns dos outros movendo-se, através do fio, para a 
esfera A positivamente carregada, como mostra a 
Fig. 21-10b.
Com isso, a esfera B perde cargas negativas e fica 
positivamente carregada, enquanto a esfera A ganha 
cargas negativas e fica menos positivamente 
carregada. A transferência de carga cessa quando a 
carga da esfera B aumenta para Q/2 e a carga da 
esfera A diminui para Q/2, o que acontece quando 
uma carga −Q/2 passa de B para A.
As esferas, agora positivamente carregadas, passam 
a se repelir com uma força dada por
Figura 21-10 Duas pequenas esferas condutoras, A 
e B. (a) No início, a esfera A está carregada 
positivamente. (b) Uma carga negativa é transferida 
de B para A através de um fio condutor. (c) As duas 
esferas ficam carregadas positivamente.
Exemplo: Distribuição de Cargas (continuação)
Figura 21-10 (d) Uma carga negativa é 
transferida para a esfera A através de um fio 
condutor ligado à terra. (e) A esfera A fica neutra.
Raciocínio Quando ligamos um objeto 
carregado à terra (que é um imenso condutor), 
neutralizamos o objeto.
Se a esfera A estivesse negativamente 
carregada, a repulsão mútua entre os elétrons 
em excesso faria com que esses elétrons 
migrassem da esfera para a terra. Como a 
esfera A está positivamente carregada, 
elétrons com uma carga total de −Q/2 migram 
da terra para a esfera (Fig. 21-10d), deixando 
a esfera com carga 0 (Fig. 21-10e). Assim, a 
nova força eletrostática entre as esferas é 
zero.
A Carga é Quantizada
A Carga é Quantizada
A Carga é Quantizada
Na descrição dos fenômenos que 
envolvem cargas elétricas, alguns termos 
podem criar a impressão errônea de que a 
carga é uma substância. Estamos 
acostumados a usar frases como
“carga de uma esfera” 
“carga transferida” 
“carga acumulada”
É preciso não esquecer que a carga é uma 
propriedade das partículas, como a 
massa.
Exemplo: Repulsão Entre as Partículas de um NúcleoAtômico
A Carga é Conservada
Quando friccionamos um bastão de vidrocom um pedaço de seda, o bastão fica positivamente 
carregado. As medidas mostram que uma carga negativa de mesmo valor absoluto se acumula na 
seda. Isso sugere que o processo não cria cargas, mas apenas transfere cargas de um corpo para 
outro, rompendo no processo a neutralidade de carga dos dois corpos.
Essa hipótese de conservação da carga elétrica foi comprovada exaustivamente, tanto para 
objetos macroscópicos como para átomos, núcleos e partículas elementares.
Exemplo 1: O decaimento radioativo de núcleos atômicos, no qual um núcleo se transforma 
em um núcleo diferente.
Um núcleo de urânio 238 (238U) se transforma em um núcleo de tório 234 (234Th) emitindo uma 
partícula alfa, que é um núcleo de hélio (4He); a carga total é +92e antes e depois do 
decaimento.
Exemplo 2: Um elétron e (cuja carga é –e) e sua antipartícula, o pósitron (cuja carga é +e), 
sofrem um processo de aniquilação e se transformam em dois raios gama (ondas 
eletromagnéticas de alta energia); a carga total é zero antes e depois da aniquilação.
Exemplo 3: Um raio gama se transforma em um elétron e um pósitron; a carga total é zero antes 
e depois da transformação.
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	Número do slide 2
	Cargas Elétricas
	Cargas Elétricas
	Condutores e Isolantes
	Número do slide 6
	Número do slide 7
	Condutores e Isolantes
	Lei de Coulomb
	Lei de Coulomb
	Número do slide 11
	Exemplo: Força Total Exercida por Várias Partículas
	Exemplo: Força Total Exercida por Várias Partículas (continuação)
	Exemplo: Força Exercida por Várias Partículas (continuação)
	Exemplo: Equilíbrio de Duas Forças
	Exemplo: Distribuição de Cargas
	Exemplo: Distribuição de Cargas (continuação)
	A Carga é Quantizada
	A Carga é Quantizada
	Número do slide 20
	Exemplo: Repulsão Entre as Partículas de um Núcleo Atômico
	A Carga é Conservada