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ELETRICIDADE BÁSICA
1.1 – ÁTOMOS E ELÉTRONS.
1.1.1 – INTRODUÇÃO
Em qualquer substância existente na natureza , a menor partícula que pode existir por si mesma, conservando todas as características dessa substância é chamada de molécula. Em outras palavras, a molécula é a menor porção possível de qualquer substância. Assim, por exemplo, a menor porção possível de água seria a molécula de água. As moléculas, por sua vez, são compostas de partículas menores, os átomos.
1.1.2 – O ÁTOMO
O átomo é a menor parte de uma molécula, que por sua vez é dividida em prótons (+) que têm uma carga elétrica positiva, elétrons (-) que tem uma carga elétrica negativa e os neutrons que como o próprio nome já diz, não possuem carga elétrica. Todos os átomos, são formados por diferentes quantidades dessas partículas, sendo que o mais simples deles é o átomo de hidrogênio, formado por um elétron girando em torno do núcleo contendo um próton, como mostra a figura 1.
Os elétrons giram em torno do núcleo em alta velocidade, da ordem de 10^13 voltas por segundo, descrevendo ao longo de sua trajetória uma órbita elíptica.
1.1.3 - O ELÉTRON: Os elétrons encontram–se distribuídos ao redor do núcleo em camadas concêntricas, podendo existir até 7 camadas, dependendo do seu número de elétrons. As camadas são denominadas pelas letras K, L, M, N, O, P, Q e nestas os elétrons são distribuídos da seguinte forma:
K=2 L=8 M=18 N=32 O=32 P=18 Q=
NÚCLEO
+ Próton
- ELÉTRON
ÁTOMO DE HIDROGÊNIO
FIG.
NÚCLEO K L M N O
Fig.
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Por definição, dá-se a última camada (Q) o nome de camada de valência e os elétrons nela existente são chamados de elétrons de valência, é através destes que os átomos se unem formando as moléculas. A distribuição dos elétrons por camadas, é dito distribuição eletrônica nas camadas. Quando um átomo, tem a mesma quantidade de elétrons e prótons ele é dito eletricamente neutro, pois, as cargas negativas estão contrabalançando as positivas. Porém, quando a quantidade de elétrons e prótons são diferentes, damos ao átomo o nome de ÍON. Dizemos então, que quando um átomo cede um ou mais elétrons de sua última camada, está eletricamente positivo e recebe o nome de CÁTION. Por outro lado quando o átomo recebe elétrons ele é dito eletricamente negativo recebendo o nome de ÂNION.
PARTÍCULA CARGA MASSA
Próton Neutron Elétron
1672.10-19^ C
nula -1602. 10-19^ C
1672.10-27^ Kg 1674.10-27^ Kg 9109.10-31^ Kg TABELA 1
Portanto, partindo do átomo, podemos dizer : A união ou agrupamento de muitos átomos formam-se as moléculas que agrupadas vão formar todas as substâncias existentes na natureza.
1.1.4 – A CAMADA DE VALÊNCIA
Os elétrons da camada de valência são os que possuem liberdade para participar dos fenômenos elétricos ou químicos. Quando um grupo de átomos estão dispostos simetricamente entre si, como pode acontecer numa molécula, um elétron de valência pode muitas vezes girar em torno de dois núcleos atômicos ao invés de um só. Quando isto ocorre estes elétrons de valência unem os átomos entre si, formando a chamada cadeia de valência. Se, depois de formadas cadeias de valência, ainda sobrarem elétrons que não possuem uniões firmes, estes denominam-se ELÉTRONS LIVRES. Quanto maior o número de elétrons livres no material, melhor será a sua condutividade ( característica de um material conduzir mais ou menos corrente elétrica ).
1.2 – EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA.
1.2.1 – EFEITO TÉRMINO:
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depois, ligeiramente separadas. Em conseqüência passa uma faísca elétrica , ou arco, de ponta a ponta. O calor desse arco vaporiza um pouco de carbono e a passagem da corrente, através do vapor de carbono, aquece-o até queimar e incandescer. As pontas das hastes também são aquecidas, fornecendo uma fonte adicional de luz.
1.2.3 – EFEITO MAGNÉTICO:
MAGNETISMO
Se borrifarmos um imã com limalha de ferro, nota-se que esta limalha não é uniformemente atraída por toda a superfície do imã. Ao contrário, ela procura concentrar-se junto a ambas extremidades do imã. A impressão que se tem é de que o magnetismo esteja concentrado nestas duas extremidades do imã. A essas duas extremidades dá-se o nome de pólos do imã. Verificou-se que a própria terra é um imã gigantesco com seus dois pólos magnéticos localizados uma na região ártica, outro na região antártica. Por analogia, dá-se aos imãs dois pólos, Norte e Sul.
MANEIRA PELA QUAL A LIMALHA DE FERRO SE DISTRIBUI PELO IMÃ
1.2.4 - O CAMPO MAGNÉTICO
Na questão da atração e repulsão entre pólos de imãs, verificou-se que os pólos não precisam tocar um ao outro, pois mesmo a certa distância um do outro, nota-se que pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem.
F.C.E.
ELETRODOS
DE CARBONO
ARCO
LÂMPADA DE ARCO DE CARBONO
Fig.
N S
Fig.
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Também notou-se que a atração e repulsão não mudava quando entre os pólos colocava-se uma substância não magnéticas. Por experiência, pode-se comprovar o que se chama campo magnético.
MANEIRA PELA QUAL A LIMALHA DE FERRO MOSTRA A
FORMA DO CAMPO MAGNÉTICO AO REDOR DO IMÃ. NOTA – SE QUE AS LINHAS DE
CAMPO NÃO SE CRUZAM.
1.2.5 - ELETROMAGNETISMO
Em 1819, um físico dinamarquês HANS CRISTIAN OERSTED aproximou uma pequena bússola de um fio, pelo qual passou uma corrente elétrica. Notou com isto que a agulha se movia. Quando desligou a corrente a agulha voltou-se para a posição normal. Esta descoberta desencadeou uma série de acontecimentos que contribuíram para dar forma a nossa civilização industrial. A importância dessa descoberta estava no fato de que ficou provado que um condutor quando percorrido por uma corrente elétrica criava um campo magnético semelhante ao imã. Supõe-se então que o movimento de uma partícula carregada seja sempre acompanhada por um campo magnético.
FIO
e
Linhas de campo formadas em torno do condutor
N S
Fig. 6
Fig.
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Exercícios
- Escreva sob a forma numérica os valores em múltiplos e submultiplos do volt ;
a) 1x10^0 V = i) 100μV =
b) 10x10^0 V = j) 100MV =
c) 100mV = l) 350KV =
d) 1V = m) 0,1mV =
e) 10KV = n) 0,1KV =
f) 10x10^3 V = o) 550μV =
g) 10μV = p) 435mV =
h) 100x10-6^ V = q) 25x10 -3^ V =
- Escreva sob a forma de múltiplos e submultiplos, utilizando os símbolos, os valores numéricos da grandeza volt a seguir respeitando a notação científica.
a) 1000000 V = g) 0,000015V =
b) 0,001 V = h) 0,2135 V =
c) 0,0001 V = i) 39000 V =
d) 1000 V = j) 60000 V =
e) 1700 V = l) 18000000 V =
f) 0,000000015 V = m) 0,01 V =
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1.4 - GRÁFICOS:
1.4.1 – INTRODUÇÃO :
A razão do uso dos gráficos na área técnica está na rapidez e facilidade com que ele permite visualizar a modificação de um fenômeno. Nos hospitais, por exemplo, a variação de temperatura ( febre ) de um paciente costuma ser indicada por um gráfico. Nas indústrias a produção, venda, estoque, etc., também podem ser mostrados por gráficos. Existem fenômenos que não podem ser representados por fórmulas matemáticas de maneira prática e, é ai, então, que o gráfico mostra sua real utilidade.
1.4.2 – CONCEITO :
Entende-se por gráfico a figura geométrica que representa , uma igualdade ou equação matemática.
Exemplo:
`
0 V
V=R.I
I
GRÁFICO DA TENSÃO
P GRÁFICO DE POTÊNCIA
I
0
P=RI^2
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1.4.3.3 - Coordenadas:
Os dois eixos do gráfico abaixo foram convenientemente graduados. Qualquer ponto da curva (ou reta) fica individualizado pela sua distância ao eixo horizontal e ao eixo vertical. A esse par de valores damos o nome de coordenadas.
O ponto que chamamos de P 1 , tem coordenadas 0,7V e 2μA, o ponto P 2 tem coordenadas 1V e 1 mA.
Obs.: Os dois semi-eixos do gráfico podem ser prolongados, para a esquerda e para baixo, delimitando novas regiões. As graduações acima do eixo e à direita da origem são positivas, abaixo e à esquerda são negativas.
Exemplo:
1.4.3.4 - Escala:
B
A
3
2
1
1 2 3
5mA
P 1 mA 2 μA
0,7 1 2
V
I
P P
0
P 1 =(0,7;2)
P 2 =(1;1)
P 3 =(2;5)
Fig.
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O eixo horizontal da figura 4 está graduado, entretanto cada segmento unitário tanto pode representar l Volt, como 100 Volts, 1 milivolt, etc. O mesmo acontece com o eixo vertical. Ao se fixar o valor da grandeza que cada um dos segmentos unitários representa, estamos definindo a escala do gráfico. A fim de facilitar a compreensão de grandezas foram criados os múltiplos e submúltiplos de uma unidade padrão. Como já foi visto em potência de 10. Exemplos :
a - Um pacote de feijão tem 1000 gramas. Porém é mais fácil dizer 1 Quilograma (Kg), que é um múltiplo do grama.
b - Uma régua tem 0,3 metros. Dizendo que ela tem 30 centímetros (cm), entendemos mais fácil. O cm é um submúltiplo do metro.
1.4 - ELETROSTÁTICA
1.4.1 - CARGA ELÉTRICA:
A carga elétrica é um conceito primitivo e portanto não possui definição. No entanto, costumamos dizer que carga elétrica é a quantidade de eletricidade que um corpo possui. Como já sabemos, todo corpo no seu estado natural possui o mesmo número de prótons e de elétrons, logo, o corpo neste caso está eletricamente neutro como mostra a figura.
Sabe-se que a carga elétrica de um próton é igual a de um elétron, em módulo. Isto significa que a matéria é normalmente neutra, isto é, não apresenta propriedades elétricas.
1.4.2 - ELETRIZAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA :
CARGA ELÉTRICA DOS PRÓTONS = 2e
CARGA ELÉTRICA DOS ELÉTRONS = 2e
CARGA ELÉTRICA RESULTANTE = 0e
++ ++
Fig. 8
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Podemos concluir que neste caso houve perdas de elétrons na lã e ganho de elétrons no bastão, o que significa a lã eletrizada positivamente e o bastão negativamente podemos concluir que na eletrização por atrito os dois corpos ficam carregados com cargas iguais, porém, de sinais contrários.
1.4.3.2 - ELETRIZAÇÃO POR CONTATO:
Quando colocamos dois corpos em contato, um eletrizado e o outro neutro, pode ocorrer a passagem de elétrons de um para outro, fazemos com que o corpo neutro se eletrize. Considere um bastão eletrizado negativamente, sendo colocado em contato com uma esfera inicialmente neutra.
As cargas em excesso do condutor eletrizado negativamente se repelem passando algumas para o corpo neutro fazendo com que ele fique também com elétrons em excesso e, portanto, eletrizado negativamente.
ANTES DEPOIS
DEPOIS
BASTÃO
LÃ
ANTES DEPOIS
ESFERA
BASTÃO
ANTES DO CONTATO DURANTE DEPOIS
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Se o bastão estivesse eletrizado com cargas positivas haveria também a passagem de elétrons, porém, desta vez, do corpo neutro para o eletrizado, pois o bastão está com falta de elétrons e os atrai do corpo neutro. Portanto, a esfera ficaria eletrizada positivamente, pois cederia elétrons. Concluímos que na eletrização por contato, os corpos ficam eletrizados com cargas de mesmo sinal.
1.4.3.3 - ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
A eletrização de um corpo neutro pode ocorrer por simples aproximação de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles. Considere por exemplo, uma esfera inicialmente neutra e um bastão eletrizado negativamente. Quando aproximamos o bastão eletrizado da esfera neutra, as suas cargas negativas repelem os elétrons livres da esfera para posições mais distantes possíveis, neste caso, para o lado oposto da esfera, em relação à região de aproximação.
Desta forma, surgem na esfera duas regiões distintas: no lado voltado para o bastão a esfera fica com falta de elétrons e, portanto, eletrizada com cargas positivas. No outro lado, a esfera fica com excesso de elétrons, ou seja, eletrizada com cargas negativas.
Concluímos:
1º - Na indução eletrostática ocorre apenas uma separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo.
- chama-se "indutor" o corpo que provocou a indução;
- chama-se "induzido" o corpo no qual ocorreu o fenômeno. 2º - No processo da indução eletrostática o corpo induzido se eletrizará sempre com cargas de sinais contrário as do indutor.
OBS: Chama-se ELETROSCÓPIO o aparelho que se destina a indicar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado. São dois os tipos de eletroscópios:
DURANTE DEPOIS
++ +++
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F = K.Q.q d^2
- DIREÇÃO: A direção da força elétrica é dada pela reta que une as duas cargas puntiformes.
- SENTIDO:
F positiva - mesmo sinal (repulsão) F negativa - sinal diferente (atração).
- VARIEDADE: S. I. - força (Newton N), distância m, carga C. C. G. S. - dina cm star-C.
É usual o emprego dos submúltiplos:
μC, ηC, ρC.
1.5.3 - VALOR DA CONSTANTE K:
Depende do meio onde as cargas se localizam e do sistema adotado.
EXERCÍCIOS:
1º) Duas cargas elétricas puntiformes de 5.10-5^ C e 0,3.10 -6C, no vácuo, estão separadas entre si por uma distância de 5m.
Calcule F.
2º)
Q = 2.10 - 4^ C q = 10.10 - 5C
d - 0,2 m
F F
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1.5.4 - CAMPO ELÉTRICO:
Se tomarmos como referência uma carga puntiforme Q como mostra a figura.
Poderemos concluir pela Lei de Coulomb que ao se colocar um outra carga "q" a uma certa distância "d" de "Q" as duas ficarão sujeitas a uma força F que pode ser de repulsão ou atração entre elas. Podemos notar que a carga Q vai agir ou exercer uma influência sobre "q" que chamamos de carga de prova. Concluindo, podemos dizer: Existe uma região de influência da carga Q onde qualquer carga de prova que nela é colocada, está sob a ação de uma força de origem elétrica. A essa região chamamos de campo elétrico.
1.5.5 - EXPRESSÃO DO CAMPO ELÉTRICO
Q d q F
E = K. Q _
d^2
No sistema: → S.I. - E = q.10^9 -. Q _ Er d^2 → C.G.S - E = 1 _. Q _ Er d^2
REGIÃO DE INFLUÊNCIA DO
CAMPO ELÉTRICO
Q
Q
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Alguns tipos de campo:
DUAS CARGAS PONTIFORMES DUAS CARGAS PONTIFORMES
DE SINAIS DIFERENTES DE SINAIS IGUAIS
CAMPO ELÉTRICO UNIFORME
1.6 - MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO:
O efeito de magnetismo já é estudado pelo homem há séculos, pois, sempre se observou que determinados materiais causavam perturbação no meio em que estavam. Estes materiais são hoje denominados de imãs e o efeito de perturbação que o mesmo causa no meio em que está é chamado de magnetismo. Mais tarde foi descoberto que uma corrente elétrica ao percorrer um condutor também causava o mesmo efeito ou perturbação igual a causada pelos imãs, a este efeito deu-se o nome de eletromagnetismo.
1.6.1 - CAMPO ELÉTRICO:
Quando estudamos a Lei de Coulomb definimos campo magnético porém, procuramos ver suas forças e causas. Agora veremos os seus comportamentos e suas grandezas.
1.6.2 - CAMPO MAGNÉTICO:
Como já foi visto uma carga puntiforme gera no espaço que a envolve, um campo elétrico. A cada ponto P do campo associou-se uma força F e uma intensidade de campo E. Analogamente a um campo magnético associamos um vetor denominado vetor de indução magnético ou simplesmente vetor de campo magnético.
B
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Podemos então definir campo magnético como sendo o espaço que envolve um condutor percorrido por uma corrente elétrica ou um imã.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade para expressar a intensidade do vetor B é denominada Tesla (T). O vetor B é sempre uma tangente à linhas de indução como mostra a figura abaixo:
1.6.3 - CAMPO MAGNÉTICO DAS CORRENTES:
Para cálculos de campo magnético devido à corrente elétrica, foram desenvolvidas várias leis e a mais importante delas é a Lei de Biot-Savart. Consideremos um condutor sendo percorrido por uma corrente elétrica “ i ” e colocado no vácuo. Se considerarmos um elemento ∆k deste condutor e um ponto P próximo a este, a uma distância “ r ” deste ∆l. A Lei de Biot-Savart estabelece que o vetor indução magnética ∆B no ponto P , provocado pela corrente “ i ” no elemento ∆l terá as seguintes características:
a) direção: perpendicular ao plano π; b) intensidade:
∆B = K’o i.∆l.SENα_ r^2 Onde: K’o → constante de proporcionalidade, que depende do meio.
B
a 1
p
r
i
Planoπ
B 2
B 3
B 1
B 4
K’ 0 =μ 0 / 4π
