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Eletrização e força elétrica

Eletrização e força elétrica

Aprenda sobre Eletricidade, Modelo Atômico e Lei de Coulomb.

ELETRICIDADE

A parte da Física chamada de Eletricidade é muito importante. Existem inúmeras questões em todas as provas de vestibular sobre o assunto, que se baseiam no estudo das cargas elétricas.

A Eletricidade pode ser dividida em dois blocos:

Eletrostática: estuda as cargas e seus efeitos produzidos quando estão em repouso.

Eletrodinâmica: estudo da corrente elétrica, ou seja, das cargas elétricas em movimento, dos circuitos e seus componentes.

Existe também o Eletromagnetismo, que estuda os efeitos magnéticos gerados por correntes elétricas e o movimento de cargas dentro de campos magnéticos.

CARGA ELÉTRICA

Próton → carga positiva.

Elétron → carga negativa.

Nêutron → carga nula

MODELO ATÔMICO

O modelo atômico mais aceito atualmente foi obtido já no século XX e teve contribuições de nomes importantes como Bohr, Rutherford, Heinsenberg entre outros. Se o átomo fosse do tamanho de um estádio de futebol, seu núcleo composto de nêutrons e prótons seria do tamanho de uma bolinha de tênis. Em volta do núcleo temos os elétrons que giram em um movimento onde não se pode obter muitas informações simultâneas. Uma espécie de nuvem eletrônica com camadas de energia definidas.

NÚCLEO

É a parte central do átomo, praticamente toda massa do átomo está concentrada no núcleo. No núcleo temos:

Prótons: Partículas que apresentam carga elétrica não nula. Os prótons são portadores de carga elétrica positiva.

Nêutrons: Partículas que apresentam carga elétrica nula, ou seja, não geram nem sofrem a influência de ações elétricas.

ELETROSFERA

É uma região do espaço que circunda o núcleo onde são encontrados os elétrons que se movimentam distribuídos em níveis e subníveis de acordo com seu grau de energia.

Elétrons: Partículas que apresentam carga elétrica não nula. Os elétrons são portadores de carga elétrica negativa.

Carga Elementar

Através de algumas experiências importantes, podemos ressaltar o experimento de Millikan por exemplo (a Gota de Millikan), concluiu-se que o valor da carga de um próton e de um elétron era o mesmo, e como são unidades básicas, ou seja, as menores possíveis, a carga, em módulo, de um próton e de um elétron foi chamada de carga elementar.

O valor da carga elementar, representada por “e”, no Sistema Internacional (SI), é dado por;

|e| = 1,6.10-¹⁹C

A unidade de carga no SI é o coulomb(C), porém, é comum encontrarmos seus submúltiplos:

• mC: milicoulomb → 1 mC = 10-³ C

• μC: microcoulomb → 1 μC = 10-⁶ C

• nC: nanocoulomb → 1 nC = 10-⁹ C

• pC: picocoulomb → 1 pC = 10-¹²C

Corpo Eletrizado

Um corpo se apresenta carregado, isto é, eletrizado, quando possui quantidades diferentes de prótons e elétrons. Dessa forma, caso o número de prótons (nP) seja maior que o número de elétrons (nE), o corpo estará carregado positivamente e, do contrário, estará negativo.

se np > ne → corpo eletrizado positivamente;

se np = ne → corpo eletricamente neutro;

se np < ne → corpo eletrizado negativamente.

Como um corpo só pode possuir um número inteiro de prótons e elétrons, a carga elétrica de um corpo sempre será um múltiplo da carga elementar, ou seja, a carga de um corpo será o produto do número de prótons ou elétrons em excesso pela carga elementar . Por isso dizemos que a carga elétrica é uma grandeza quantizada.

Observe a tabela:

Podemos concluir que um corpo com n elétrons ou prótons em excesso tem sua carga dada por:

Q = ± n . |e|

Condutores e Isolantes

Condutores – Nos condutores eletrizados, o excesso de cargas se distribui na superfície externa do objeto.

O condutor ideal é um material cujo portadores de cargas elétricas se movimentam livremente pelo material, sem qualquer oposição do meio natural.

Isolantes ou dielétricos – são materiais que impedem o deslocamento da carga elétrica em sua extensão. Como exemplo, temos: os plásticos em geral, a madeira (seca), o vidro, a borracha etc.

PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DA ELETROSTÁTICA

Princípio das ações: cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais contrários se atraem.

É um fato bem conhecido que, se colocarmos próximos dois corpos de mesma carga (positiva ou negativa), eles irão se repelir, e se aproximarmos cargas de sinais contrários, irão se atrair. A força com que duas cargas se atraem ou se repelem será estudada mais à frente com a Lei de Coulomb.

Princípio da conservação das cargas elétricas: num sistema eletricamente isolado, a carga elétrica total permanece constante.

Este princípio não impede a passagem de elétrons de um corpo para outro, porém, o somatório final permanecerá constante. Veja o exemplo abaixo.

Duas cargas A e B possuem cargas +8 C e -4 C. Através de um processo qualquer, elas trocaram cargas e ficaram com cargas idênticas de 2 C.

Podemos perceber que o somatório inicial de cargas é igual ao somatório final, fazendo com que o princípio da conservação das cargas se comprove.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Um corpo neutro, como já foi dito, possui o número de elétrons igual ao número de prótons. Para eletrizá-lo devemos, basicamente, desfazer esta igualdade, ou seja, o corpo deve possuir número diferente de prótons e elétrons. Estudaremos, a seguir, os três processos mais comuns para a eletrização de corpos: por atrito, por contato ou por indução eletrostática.

Eletrização por Atrito

Consiste em atritar dois corpos, inicialmente neutros, de materiais diferentes. Na fase de atrito haverá passagem de elétrons de um corpo para outro. Como ocorre passagem de elétrons de um para outro, obviamente um corpo, ao final, estará positivo e o outro negativo, com cargas de mesmo módulo.

Experiências mostraram quais corpos tinham tendência a eletrizar-se positivamente e quais corpos tinham a tendência de eletrizar-se negativamente.

Após essas experiências foi organizada uma série, conhecida como Série Triboelétrica.

Os materiais que vêm primeiro, ao se atritar com materiais que vêm em seguida, ficarão positivos. Por exemplo, atritando-se vidro com seda, o vidro ficará positivo enquanto a seda ficará negativa.

Eletrização por Contato

Na figura abaixo, o corpo A está carregado positivamente, enquanto o corpo B está neutro. No intuito de se carregar o corpo B, colocaremos o corpo A em contato com o corpo B.

O corpo A, inicialmente positivo, tinha um excesso de prótons; ao encostar em B haverá uma passagem de elétrons de B para A, e assim o corpo B também ficará positivo.

Na eletrização por contato, de esferas idênticas, as cargas finais são as mesmas para as esferas em contato e será dada pelo somatório de todas as cargas dividido pelo número de esferas.

Qᶠ = Q¹ + Q² + Q ³ … + Qn
                           n    

Exemplo:

Duas esferas idênticas possuem cargas iguais a -8 C e 6 C quando são postas em contato. Qual será a carga final de cada esfera?

Eletrização por Indução

O último e mais complexo processo de eletrização é o de indução eletrostática. Aproximamos a um corpo eletricamente neutro, que será chamado de induzido, um outro carregado, positivamente ou negativamente, que será chamado de indutor. Imediatamente, os elétrons do corpo neutro irão se aproximar do lado onde foi colocado o corpo carregado, provocando uma polarização no corpo neutro.

Apesar disso, o corpo permanece neutro. Para que ocorra a eletrização, ligaremos o corpo neutro à Terra através de um fio condutor. Devido à polarização ocorrida pela indução do corpo carregado positivamente, haverá transferência de elétrons da Terra para o corpo neutro.

Em seguida, corta-se a ligação com a Terra a fim de se evitar que os elétrons possam voltar para a Terra. Agora, o indutor poderá ser afastado, pois o induzido já está carregado.

Caso tivéssemos aproximado um corpo eletrizado negativamente, o fluxo de elétrons sairia do corpo para a Terra e este ficaria eletrizado positivamente. Logo, podemos concluir que na eletrização por indução, as cargas finais do indutor e induzido serão contrárias.

Densidade Linear de Cargas

É possível determinar a quantidade de carga líquida que ocupa certa unidade de comprimento, como em um fio ou em um cabo. Essa razão é conhecida como densidade linear de cargas. Quando a distribuição de carga é uniforme, temos uma densidade de carga constante por todo o corpo.

Unidade: Coulomb/metro (C/m)

DENSIDADE SUPERFICIAL DE CARGAS

Quando as cargas em excesso se acomodam no corpo eletrizado, e isso ocorre na superfície externa do condutor, elas nem sempre se distribuem de modo uniforme. Consideremos um condutor com área externa A, em equilíbrio eletrostático, eletrizado com uma carga Q. Chama-se densidade superficial média de cargas a razão entre Q e A.

Unidade:  Coulomb/metro quadrado (C/m²)

DENSIDADE VOLUMÉTRICA DE CARGAS

Quando o corpo carregado é um isolante ele pode ter cargas acumuladas em seu interior, diferente de materiais condutores. Com a mobilidade de locomoção nos condutores, as cargas se depositam na parte mais externa do corpo. Portanto não faz sentido falar em densidade volumétrica de carga para um condutor apenas para um isolante.

Unidade: Coulomb/metro cúbico (C/m³)

Nos condutores carregados, a distribuição de cargas é sempre mais intensa nas regiões pontiagudas; este fato é conhecido como poder das pontas.

LEI DE COULOMB

CARGA ELÉTRICA PUNTIFORME

Chama-se de carga elétrica puntiforme quando uma determinada carga elétrica se distribui em um corpo de dimensões desprezíveis perante o sistema.

Quando tivermos um corpo esférico não considerado um ponto material (carga elétrica puntiforme), iremos considerar que sua carga se encontra no centro do corpo para interações elétricas externas a ele.

FORÇA ELÉTRICA

A Lei de Coulomb refere-se à força elétrica entre dois corpos eletrizados. Vimos que dois corpos eletrizados com cargas de sinais diferentes sofrem uma atração mútua, e quando possuem mesmo sinal, sofrem uma repulsão.

Quando a interação ocorre entre um corpo carregado e um corpo neutro não puntiformes, os dois corpos sofrem atração com força de mesmo módulo. Isso ocorre graças a uma polarização que resulta nas cargas opostas mais próximas que as cargas iguais gerando uma força de atração maior que a força de repulsão.

Pela 3ª Lei de Newton, a intensidade da força elétrica é igual para as duas cargas e depende dos módulos das cargas e da distância entre elas, sendo dada pela fórmula:

Fᴱᴸ = K . |Q ¹| . |Q²|

                          d² 

Unidade: Newton (N)

Sendo k a chamada constante eletrostática, que no vácuo e na maioria dos problemas aparece com o valor de:

k = 9 ⋅ 10⁹ Nm²/C²= 1/4πε0

A letra grega épsilon (ε) representa a constante de permissividade do vácuo (8,85 ⋅ 10- ¹² C²/Nm²).

Como a relação entre o módulo força elétrica e a distância é inversamente proporcional ao quadrado, o gráfico da Fᵉ em função de d será uma hipérbole quadrática.

É fácil observar no gráfico que quanto maior a distância entre as cargas menor será a força elétrica entre elas, mas jamais será nula. A força elétrica é caracterizada por ter um alcance infinito.

OBSERVAÇÃO

A descoberta dos raios catódicos gerou diversas discussões no cenário científico do final do século XIX. A partir deles, o elétron foi identificado como um componente fundamental da matéria. A questão aborda duas características desses raios: a massa e a carga elétrica.

EXERCÍCIO RESOLVIDO

01. (UERJ) Observe os esquemas a seguir, que representam experimentos envolvendo raios catódicos.

Desses experimentos resultou a descoberta de uma partícula subatômica. As propriedades massa e carga elétrica dessa partícula apresentam, respectivamente, a seguinte caracterização:

a) igual a zero; igual a zero.

b) igual a zero; maior que zero.

c) diferente de zero; igual a zero.

d) diferente de zero; menor que zero.

e) diferente de zero; maior que zero.

Resolução: D

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