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CURSO ALBERT EINSTEIN

DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO ELETROSTÁTICA

PROFº:CARLOS FILHO

É a parte da física que estuda as propriedades das cargas elétricas em repouso. AS PRIMEIRAS DESCOBERTAS Âmbar é uma seiva endurecida (resina) de cor amarelada de uma espécie de árvore extinta há milhões de anos, portanto trata-se de um material fóssil, que às vezes contém insetos, aprisionados pela seiva pegajosa. O filósofo grego Thales de Mileto (580-546 a.c) observou que um pedaço de âmbar quando atritado com pele de animais adquiria a propriedade de atrair corpos leves (como pedaço de palha e sementes de grama). Somente cerca de 2000 anos mais tarde foi que o médico inglês chamado Gilbert (1544-1603) constatou que o âmbar não era o único material que atritado com outros corpos adquiria a propriedade de atrair outros corpos, criando o termo “elétrico” e seus derivados a partir da palavra grega elektron, que significa âmbar. Mais tarde outro inglês, Stephen Gray(1670-1736), colocou dois corpos pendurados um eletrizado(corpo A) e outro não(corpo B), embaixo do corpo B, ele colocou pedacinhos de papel em seguida ele ligou os dois corpos com fios, observando que agora o corpo B começou a atrair os pedacinhos de papel, mostrando que um corpo podia ficar eletrizado de outros modos como por contato e não só por atrito. Fluido são aqueles materiais capazes de penetrar pelos vazios da matéria e que se escoam por esses vazios(ralos), como os gases e líquidos em geral (ar, água etc.) o problema é que na época a eletricidade, o calor, a luz etc. também eram tidos como uma espécie de fluido. O conceito de ``fluido elétrico’’ foi apresentado por Stephen Gray quando ele percebeu que a eletricidade passou pelos fios e disse: - Neste caso ocorre passagem do fluido elétrico pelo fio. “Na sua experiência Stephen Gray usou vários tipos de fios para ligar os corpos e verificou que alguns fios não passavam o fluido elétrico e outros fios passavam, levando a criar o conceito de ``condutibilidade” . Stephen Gray, constatou ainda que conforme o material de que era feito o fio, o corpo B ficava eletrizado e atraia pedaços de papel. O QUE É UM CONDUTOR DE ELETRICIDADE Quando vários átomos se reúnem para formar certos sólidos, como, por exemplo, os metais, os elétrons das órbitas mais externas não permanecem ligados aos respectivos átomos, adquirindo liberdade de se movimentar no interior do sólido. Estes elétrons são denominados elétrons livres. Portanto, nos sólidos que possuem elétrons livres, é possível que a carga elétrica seja transportada através deles e, por isso, dizemos que estes materiais são condutores de eletricidade. Exemplo: Fio de cobre e fio de alumínio. Quando o fio permite a passagem do fluido elétrico, dizemos que é condutor de eletricidade. Exemplo de bons condutores são os metais. O QUE É UM DIELÉTRICO

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CURSO ALBERT EINSTEIN DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO PROFº:CARLOS FILHO Ao contrário dos condutores, existem sólidos nos quais os elétrons estão firmemente ligados aos respectivos átomos, isto é, estas substancias, não possuem elétrons livres. Portanto não será possível o deslocamento de carga elétrica através destes corpos, que denominados isolantes elétricos ou dielétricos. Exemplo: Borracha e vidro. Quando o fio não permite a passagem do fluido elétrico, dizemos que é isolante. Exemplo de maus condutores são o vidro, o âmbar, a seda, o papel e a lã. POLARIZAÇÃO DE UM ISOLANTE Faz aparecer cargas de sinais contrários em suas extremidades. Antes da polarização as moléculas estão distribuídas ao acaso.

Aproximando-se deste dielétrico um corpo eletrizado, por exemplo, com carga positiva, a carga deste corpo atuará sobre as moléculas do isolante, fazendo com que elas se orientem, alinhando-se, quando isto ocorre, dizemos que o dielétrico está polarizado.

O francês Charles Du Fay(1698-1739), constatou entre os materiais usados em suas inúmeras experiências dois comportamentos diferentes tanto no bastão de vidro como no bastão de resina quando atritados com lã.

Bastão de vidro +++++++++++ ++ +++

Pedaço de lã

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Bastão de vidro +++++++++++ ++ +++ Veja que os bastões de vidro se repelem.

Pedaço de lã

Bastão de resina +++++++++++ ++ +++ --

Bastão de resina +++++++++++ ++ +++

Pedaço de lã

Veja que os bastões de resina se repelem. --

Bastão de vidro +++++++++++ ++ Veja que os+++ bastões de vidro e de resina se atraem.

Bastão de resina +++++++++++ ++ +++

Dois bastões de vidro se repeliam um ao outro e dois bastões de resina se repeliam um ao outro, mas quando colocado um bastão de vidro próximo de um bastão de resina eles se atraiam. Conclusão: Os bastões de vidro ao serem atritados com a lã, certamente adquiriram eletricidade de tipos diferentes aos bastões de resina, pois caso contrário esses bastões se repeliam. Repetindo os procedimentos com outros materiais, Du fay verificou que alguns se comportavam como vidro e outros se comportavam como a resina. Em vista desses fatos, propôs que deveriam existir dois tipos de eletricidade: a do vidro, que chamou de eletricidade vítrea, e o da resina, que chamou de eletricidade resinosa. O cientista Benjamim Franklin(1706-1790), foi quem criou ou melhor quem convencionou os termos eletricidade positiva para designar a eletricidade vítrea e eletricidade negativa para designar a eletricidade resinosa.

SÉRIE TRIBOELÉTRICA A palavra tribo tem origem grega e significa “atritar.” Logo série triboelétrica é um conjunto ordenado de substâncias de modo que se atritando duas delas a que vem antes(esquerda) se eletriza positivamente e a que vem depois(direita) se eletriza negativamente. Vidro,mica,lã,pele de gato,seda,algodão,madeira,resinas,ebonite,cobre,enxofre... Sabemos ainda que uma mesma substancia pode ficar eletrizada positivamente ou negativamente conforme o tipo da outra substancia com que ela é atritada. Das experiências de Du Fay originou-se o chamado princípio da atração e repulsão, que pode ser enunciado como segue, usando a nomenclatura da época. WWW.PROFESSORCARLOSFILHO.BLOGSPOT.COM

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CURSO ALBERT EINSTEIN DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO PROFº:CARLOS FILHO “Corpos com eletricidade de mesmo tipo se repelem e corpos com eletricidade de tipos diferentes se atraem.” Posteriormente, como veremos, o termo eletricidade foi substituído por carga elétrica. O inglês Joseph Presley (1733-1804), quando um corpo se apresentava eletrizado, ele dizia que esse corpo estava carregado de eletricidade, ou seja, possuía carga elétrica. Carga elétrica é igual à quantidade de eletricidade. PORQUE UM CORPO SE ELETRIZA? Franklin formulou uma teoria, segundo a qual os fenômenos elétricos eram produzidos pela existência de um fluido elétrico que estaria presente em todos os corpos. Em um corpo não eletrizado (neutro) este fluido existiria em “quantidade normal”. Quando dois corpos eram atritados entre si, haveria transferência de parte do fluido elétrico de um corpo para o outro. O corpo que recebesse fluido ficaria eletrizado positivamente e aquele que perdesse ficaria eletrizado negativamente. Desta maneira, segundo Franklin, não haveria criação nem destruição de carga elétrica, mas apenas transferência de eletricidade de um corpo para o outro, isto é, a quantidade total de fluido elétrico permanece constante. Apenas a partir de 1897, com a descoberta do elétron, partícula elementar constituinte da matéria, é que se pôde começar a explicar o que acontecia de fato quando um corpo se eletrizava. Atualmente sabemos que a teoria de Franklin era pelo menos parcialmente correta. Pois durante o processo de eletrização ocorre transferência de carga elétrica entre os corpos que se atritam. Entretanto, esta transferência não é feita através do fluido elétrico, mas sim, pela passagem de elétrons de um corpo para outro. MATÉRIA E CARGA ELÉTRICA Sabemos hoje que a matéria macroscópica é constituída por átomos e que estes, por sua vez, são formados por três partículas, o elétron, o próton e o nêutron. (modelo planetário). Experiências hoje não só demonstram que elétrons e prótons se atraem como comprovam que prótons se repelem mutuamente e que os elétrons também agem dessa forma. Nêutrons não manifestam, além da força gravitacional, nenhuma outra força de atração ou de repulsão, quer entre eles, quer com outras partículas. “A propriedade que produz a atração ou a repulsão entre elétrons e prótons é denominada carga elétrica.” Como prótons e elétrons apresentam comportamentos opostos, atribui-se um sinal positivo para os prótons e outro sinal negativo para os elétrons para carga elétrica de cada um deles. CARGA ELEMENTAR Prótons e elétrons apresentam a mesma quantidade de eletricidade em módulo, mas com sinais opostos. Essa quantidade de eletricidade é denominada carga elementar e se indica por e. Por meio de experiências, foi possível se determinar para ela este valor: e = 1,6 x 10-19 C Carga elétrica do elétron = - 1,6 x 10-19 C

Carga elétrica do próton = + 1,6 x 10-19 C

Qualquer outro corpo que se apresente eletrizado terá, certamente, uma quantidade de eletricidade Q cujo valor será múltiplo inteiro do valor da carga elementar. Podemos escrever: Q = n.e, onde n é um número inteiro, positivo ou negativo.

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CURSO ALBERT EINSTEIN DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO PROFº:CARLOS FILHO Um corpo está neutro quando a quantidade de cargas positivas é igual a quantidade de cargas negativas. Representamos um corpo neutro de duas maneiras:

* Quantidade de cargas positivas é igual a quantidade de cargas negativas.

*Sem nenhuma carga dentro, mostrando que as cargas positivas foram anuladas pelas cargas negativas. Um corpo está eletrizado quando a quantidade de cargas positivas é diferente das cargas negativas.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO ELETRIZAÇÃO POR ATRITO *Dois corpos inicialmente neutros. Agora que conhecemos a teoria atômica da matéria, temos como explicar a eletrização por atrito, observada por Thales de mileto. Quando duas substancias são atritadas ocorre a transferência de elétrons de uma substancia para outra. A que recebe elétrons adquire carga elétrica negativa (a antiga eletricidade resinosa) e a substancia que perde elétrons, adquire carga positiva. Na transferência de elétrons quem perde elétrons fica positivo, quem ganha fica negativo.

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Durante o atrito sabe-se que os elétrons é quem se movimenta, Logo arbitrariamente fixou como o corpo A seja ele de vidro ou qualquer outra substancia como quem sempre cede elétrons e o corpo B como quem sempre recebe. Depois os corpos ficam carregados com cargas iguais, porém de sinais contrários.

ATENÇÃO: *Se o corpo atritado é feito de material isolante, as cargas elétricas que nele se desenvolvem ficam confinadas à região atritada. *Se o corpo atritado é feito de material condutor, as cargas elétricas em excesso se espalham por todo o corpo, ocupando sempre a sua superfície externa, pois elas, sendo todas de mesmo sinal, repelem-se mutuamente, tendendo a ficar o mais longe possível umas das outra. ELETRIZAÇÃO POR CONTATO Um corpo neutro e outro eletrizado. Quando dois corpos são encostados, ou ligados por fios, pode haver passagens de elétrons de um corpo para o outro. Exemplo:

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CURSO ALBERT EINSTEIN DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO PROFº:CARLOS FILHO * Se um corpo eletrizado negativamente é encostado em um corpo neutro, parte dos elétrons passará do corpo carregado para o corpo neutro, que também ficará eletrizado negativamente. * Se um corpo eletrizado positivamente é encostado em um corpo neutro, parte dos elétrons passará do corpo neutro para o corpo carregado, que também ficará eletrizado positivamente. Na eletrização por contato, os corpos ficam eletrizados, com cargas de mesmo sinal. A medida da carga elétrica que um corpo adquire ao ser eletrizado recebe o nome de quantidade de carga elétrica. Unidade no S.I = Coulomb (1736-1806) . Como a carga do Coulomb (1C) é muito grande, costuma-se usar submúltiplos dessa unidade 1 milicoulomb = 1 mC = 10-3 1 microcoulomb = 1 µC = 10-6 1 nanocoulomb = 1 nC = 10-9 1 picocoulomb = 1 pC = 10-12 PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DAS CARGAS ELÉTRICAS *Num sistema eletricamente isolado as somas algébrica das cargas elétricas positivas e das cargas elétricas negativas permanece constante. Vimos que, ao atritar uma barra de vidro com seda, surge, no vidro, uma carga positiva. Então, na seda aparece uma carga negativa de mesmo valor. Portanto, o atrito não cria cargas, apenas transfere-as de um corpo para o outro. Vamos supor que, de certa forma elétrons são passados de um corpo para o outro.

∑ Q antes = ∑ Q depois +10 +5 -6 = +5 +2 +2 +9 = +9 ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO WWW.PROFESSORCARLOSFILHO.BLOGSPOT.COM

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CURSO ALBERT EINSTEIN DIDÁTICA MODERNA E DE FÁCIL ASSIMILAÇÃO PROFº:CARLOS FILHO A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples aproximação de um outro corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, ocorre o fenômeno da indução eletrostática, que provoca a separação das cargas do corpo neutro.

Ao afastar o indutor do induzido (neutro), a separação das cargas desaparece. É possível, por meio do fenômeno de indução eletrostática, deixar carregado permanentemente o do condutor induzido. Uma maneira é ligá-lo á terra(encostando o dedo no induzido), antes de afastar o indutor.

No final fica assim:

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PORQUE QUE UM CORPO NEUTRO É ATRAIDO POR UM CORPO ELETRIZADO?

Um bastão eletrizado, B, é aproximado de um pequeno corpo isolante C, não eletrizado. A presença da carga em B provoca polarização do corpo C, isto é, em extremidades opostas do dielétrico C aparecem cargas positivas e negativas, assim, haverá entre o bastão B e a extremidade positiva de C uma força de atração, representada por F1 , e entre B e a extremidade negativa de C, uma força de repulsão F2. Como a extremidade negativa de C, uma força de repulsão F2. Como a extremidade positiva de C está mais próxima do bastão, o valor de F1 é maior do que o de F2 conseqüentemente, o isolante C será atraído. ELETROSCÓPIOS É um dispositivo que nos permite verificar se um corpo está eletrizado. PÊNDULO SIMPLES(ELÉTRICO) É constituído por um pequeno corpo leve (uma bolinha de isopor, por exemplo) suspenso na extremidade de um fio.

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Aproximando-se do eletroscópio um corpo eletrizado, quer este corpo esteja carregado positivamente ou negativamente, ele atrairá a bolinha suspensa, embora não possamos determinar qual é o sinal de sua carga elétrica. Para saber o sinal da carga de um corpo, seria necessário que a bolinha estivesse eletrizada com uma carga de sinal conhecido. ELETROSCÓPIO DE FOLHAS Aproximando-se da esfera do eletroscópio (sem tocá-la) um corpo C eletrizado positivamente, haverá indução eletrostática na parte metálica do aparelho: os elétrons livres serão atraídos para a esfera, fazendo aparecer nas folhas um excesso de cargas positivas. As duas folhas, estando eletrizadas com cargas de mesmo sinal, se abrem em virtude da força de repulsão entre elas. Portanto, a abertura das folhas do eletroscópio, quando aproximamos um corpo de sua esfera, nos indica que este corpo está eletrizado. Ao afastarmos o corpo C, os elétrons da esfera serão atraídos para as folhas, neutralizando a carga positiva aí existente e fazendo com que elas se fechem. Aproximando-se da esfera do eletroscópio (sem tocá-la) um corpo C eletrizado negativamente, haverá indução eletrostática na parte metálica do aparelho: os elétrons serão repelidos para as folhas, fazendo aparecer na esfera um excesso de cargas positivas. As duas folhas, estando eletrizadas com cargas de mesmo sinal, se abrem em virtude da força de repulsão entre elas. Portanto, a abertura das folhas do eletroscópio, quando aproximamos um corpo de sua esfera, nos indica que este corpo está eletrizado. Ao afastarmos o corpo C, os elétrons das folhas serão atraídos para a esfera, neutralizando a carga positiva aí existente e fazendo com que elas se fechem. Atenção: O fato de as folhas se abrirem indica apenas que o corpo C está eletrizado, mas não nos permite determinar o sinal da carga neste corpo. Para que isto seja possível, é preciso que o eletroscópio esteja previamente eletrizado com uma carga de sinal conhecido. COMO ELETRIZAR UM ELETROSCÓPIO Podemos eletrizar um eletroscópio de duas maneiras: por indução eletrostática e por contato com um corpo eletrizado. ELETROSCÓPIO SE ENCONTRA ELETRIZADO COM CARGA CONHECIDA Suponha um eletroscópio carregado positivamente, se aproximarmos um corpo C da esfera do eletroscópio, observamos que as folhas (que estavam abertas) se aproximam, podemos concluir que a carga do corpo C é negativa. De fato, sendo negativa a carga de C, elétrons livres da esfera serão repelidos e se deslocarão para as folhas. Estes elétrons neutralizarão parte da carga positiva aí existente, por isto, o afastamento entre as folhas diminui. WWW.PROFESSORCARLOSFILHO.BLOGSPOT.COM

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CURSO ALBERT EINSTEIN Conclusão:

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Como as folhas se aproximaram, é por que o corpo eletrizado tem sinal contrário do eletroscópio.

Suponha um eletroscópio carregado positivamente, se aproximarmos um corpo C da esfera do eletroscópio, observamos que as folhas (que estavam abertas) se afastam, podemos concluir que a carga do corpo C é positiva. De fato, sendo positiva a carga de C, elétrons livres das folhas serão atraídos e se deslocarão para a esfera. Estes elétrons neutralizarão parte da carga positiva aí existente, por isto, o afastamento entre as folhas aumenta. Conclusão: Como as folhas se afastaram, é por que o corpo eletrizado tem o mesmo sinal do eletroscópio.

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