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ELETROSTÁTICA
1 – ELETRICIDADE – PEQUENO HISTÓRICO(*)
A seguir colocamos em ordem cronológica alguns fatos de grande importância no desenvolvimento de teorias e conceitos sobre eletricidade.
600 a. C. Tales de Mileto – Observação de um pedaço de âmbar atrai pequenos fragmentos de palha, quando previamente atritado.
William Gilbert – Outras substâncias além do âmbar são capazes de adquirir propriedades elétricas. Estudos sobre imãs e interpretação do magnetismo terrestre. 1672 Otto von Guericke – Invenção da primeira máquina eletrostática.
Stephen Gray – Os metais tem a propriedade de transferir a eletricidade de um corpo a outro. Primeira caracterização de condutores e isolantes. Experiências sobre indução elétrica.
Robert Symmer – Teoria dos Dois Fluidos: o corpo neutro tem quantidade “normal” de fluido elétrico. Quando é esfregado uma parte do seu fluido é transferida de um corpo para outro ficando um com excesso (carga positiva) e outro com falta (carga negativa). Fato importante: lei da conservação da carga. 1785 Charles A. Coulomb – Experiências quantitativas sobre interação entre cargas elétricas, com auxílio da balança de torção. 1800 Alessandro Volta – Invenção da Pilha. 1820 Hans Christian Oersted – Efeito Magnético da Corrente Elétrica. (^1825) Andre Marie Ampere – Lei que governa a interação entre os imãs e correntes elétricas. 1827 George Simon Ohm – Conceito de resistência elétrica de um fio. Dependência entre diferença de potencial e corrente. 1831 Michael Faraday – Lei da indução eletromagnética entre circuitos. 1832 Joseph Henry – Fenômenos da auto-indução. 1834 Heinrich Friedrich Lenz – Sentido da força eletromotriz induzida. 1834 Michael Faraday – Leis da eletrólise: evidência de que íons transportam a mesma quantidade de eletricidade proporcional a sua valência química. 1864 James Clerk Maxwell – Teoria do Eletromagnetismo. Previsão da existência de ondas eletromagnéticas. Natureza da luz. 1887 Heinrich Hertz – Produção de ondas eletromagnéticas em laboratórios. 1897 Joseph John Thomson – Descoberta do elétron. 1909 Robert Milikan – Medida da carga do elétron. Quantização da carga. (*) Feito por Dr. Roberto A. Stempaniak (Prof. Dr. UNITAU)
2 – INTRODUÇÃO
2.1 – ESTRUTURA DA MATÉRIA – CARGA ELÉTRICA
A matéria é constituída por átomos, que são estruturados basicamente a partir de três partículas elementares: o elétron, o próton e o nêutron (é importante ressaltar que essas não são as únicas partículas existentes no átomo, mas para o nosso propósito elas são suficientes). Em cada átomo há uma parte central muito densa, o núcleo, onde estão os prótons e os nêutrons. Os elétrons, num modelo simplificado, podem ser imaginados descrevendo órbitas elípticas em torno do núcleo (fig. 1), como planetas descrevendo órbitas em torno do Sol. Essa região periférica do átomo é chamada de eletrosfera.
Figura 1
Experimentalmente provou-se que, quando em presença, prótons repele prótons, elétrons repele elétrons, ao passo que próton e elétron atraem-se mutuamente. O nêutron não manifesta nenhuma atração ou repulsão, qualquer que seja a partícula da qual se aproxima. Na figura 2 procuramos esquematizar essas ações.
Figura 2
Dessas experiências é possível concluir que prótons e elétrons apresentam uma propriedade, não manifestada pelos nêutrons, denominada carga elétrica. Convenciona-se:
Carga elétrica positiva (+) próton Carga elétrica negativa (–) elétron
Verifica-se que, quando um átomo apresenta um número de prótons igual ao número de elétrons, o átomo é eletricamente neutro. Se o átomo perder um ou mais elétrons, o número de prótons no núcleo passa a predominar e o átomo passa a manifestar propriedades elétricas, tornando-se um íon positivo. Se o átomo receber elétrons, ele passará a manifestar um comportamento elétrico oposto ao anterior e tornar-se-á um íon negativo.
Portanto, um corpo estará eletrizado quando o número total de
prótons for diferente do número total de elétrons.
Se atritarmos vidro com seda, elétrons migrarão do vidro para seda, portanto o vidro ficará eletrizado positivamente e a seda negativamente.
3.2 – ELETRIZAÇÃO POR CONTATO Quando um corpo neutro é posto em contato com um corpo eletrizado, eletriza-se com carga do mesmo sinal.
Figura 3
3.3 – ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que exista contato, o corpo neutro tem parte das cargas elétricas separadas (indução eletrostática), podendo ser eletrizado.
Ao atritarmos um pente e aproximamos o mesmo de um filete de água, a água será atraída pelo pente por indução.
Figura 4
O processo de indução, simplesmente, não eletriza um corpo. O que ocorre é um rearranjo no posicionamento das cargas.
Corpo Positivo
Antes do Contato Contato
Após o Contato
Corpo Positivo
Corpo Transferên Positivo cia de
Indutor
Corpo Induzido
Antes da Indução
Na Indução Após a Indução
Figura 5
Podemos, dentro deste procedimento, fazer uma ligação a terra do corpo induzido e eletrizá-lo.
Figura 6
OBS: Caso a região ligada à terra seja negativa, haverá deslocamento de elétrons do corpo para terra, fazendo com que o corpo fique positivo.
3.4 – ELETROSCÓPIOS
Para constatar se um corpo está ou não eletrizado, utilizamos dispositivos denominados eletroscópios. Existem os eletroscópios de folhas e o de pêndulo.
O eletroscópio de pêndulo é baseado no processo de indução para detectar se um corpo está ou não eletrizado. Ele possui um fio isolante amarrado a uma esfera metálica.
Figura 7
Ligando o corpo Induzido à terra, teremos, neste caso, o deslocamento de elétrons da terra para o
Como o corpo estava neutro, bastava um único elétron que ele ficaria
2> Quatro esferas metálicas idênticas estão isoladas uma das outras; X, Y e Z estão neutras enquanto W está eletrizada com carga Q. Indicar a carga final de W se ela for colocada em contato: (a) sucessivo com X, Y e Z; (b) simultâneo com X, Y e Z.
3> Um bastão de vidro, eletrizado positivamente, é aproximado de uma esfera condutora, sem tocá-la. Verifica-se que o bastão atrai a esfera. O que se pode afirmar sobre a carga elétrica da esfera?
4 – Lei de Coulomb
No fim do século XVIII, o físico francês Charles Augustin Coulomb realizou uma série de experiências que permitiram medir o valor da força eletrostática que age sobre uma carga elétrica puntiforme, colocada uma em presença de uma outra. Para duas cargas puntiformes q e Q, separadas por uma distância d, Coulomb concluiu:
A intensidade da foça elétrica é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
Podemos então escrever:
A constante k mostra a influência do meio onde a experiência é realizada. No vácuo,
utilizando as unidades do SI seu valor será: k = 9. 109 N.m2/C2.
Unidades no SI:
Q e q carga elétrica Coulomb (C) d distância entre as duas cargas metro (m) k constante eletrostática N. m2/C
