UNIDADE I: ELETROSTÁTICA

A eletrostática estuda os conceitos e fenômenos ligados particularmente às cargas elétricas em equilíbrio estático, isto é, em repouso.

Há cerca de 2600 anos, o filosofo grego Tales de Mileto verificou e registrou pela primeira vez que o âmbar (uma resina dura) depois de atritado com pele de gato, atrai fios de cabelo, palha, penas e outros objetos leves.

Devido à origem da palavra âmbar                         (élektron, em grego), aos fenômenos observados foram denominados fenômenos elétricos.

Os fenômenos elétricos só vieram a ser explicados após o conhecimento da estrutura da matéria, isto é, dos átomos e de suas partículas elementares (prótons, nêutrons e elétrons).

Carga elétrica

A carga elétrica dos prótons e elétrons tem o mesmo valor, porém apresentam comportamentos elétricos opostos. Convencionou-se então chamar a carga do próton de positiva e a carga do elétron de negativa.

O valor da carga elétrica de um próton ou de um elétron é o menor encontrado na natureza, sendo denominado carga elementar (e).

Assim, sendo Q uma quantidade de carga qualquer e n um número inteiro, é possível escrever: Q = n . e

O valor de e, no SI é: e= 1,6. 10 ^-19 C

Portanto:

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

Carga elétrica do elétron = - 1,6. 10 ^-19 C

Unidade de carga elétrica

A unidade de carga elétrica no SI é o Coulomb (C ), essa unidade representa uma grande quantidade de eletricidade. Por isso usam-se seus submúltiplos: milicoulomb (mC= 10^-3 C); microcoulomb (1µC= 10^-6 C); nanocoulomb ( nC= 10^-9 C); picocoulomb( 1pC=10^-12 C)

Isolantes e condutores

Um dos principais fundamentos da eletricidade é o da repulsão e atração entre cargas elétricas, cargas do mesmo tipo (sinais) repelem-se e cargas de tipos diferentes (sinais) atraem-se.

Os prótons no núcleo repelem-se mutuamente do ponto de vista elétrico, porém permanece unido devido à força nuclear que é mais intensa.

O átomo no seu estado natural é eletricamente neutro, isto é, apresenta número de prótons igual ao de elétrons.

Para um átomo deixar de ser neutro, e torna-se um íon (positivo ou negativo), é necessário que ele ganhe ou perca elétrons. Assim temos:

Cátion- é um íon positivo, isto é, um átomo que perdeu elétrons(maior número de prótons).

Ânion – é um átomo que ganhou elétrons (maior número de elétrons).

Nos metais os elétrons da camada mais externa são fracamente ligados ao núcleo e podem se mover com grande facilidade de um átomo para outro, formando uma nuvem de elétrons livres, chamada nuvem eletrônica a qual permite aos metais serem excelentes condutores de eletricidade.

A borracha, o plástico, a porcelana, o ar seco, o vidro e outros materiais são considerados isolantes de eletricidade pelo fato de praticamente não apresentarem elétrons livres.

Na prática, não existe condutores e isolantes elétricos perfeitos.

São considerados bons condutores elétricos os corpos que permitem a movimentação de cargas elétricas através deles, são considerados bons isolantes elétricos os corpos que não permitem a movimentação de cargas.

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Há três processos básicos de eletrização: por atrito, por contato ou por indução.

Eletrização por atrito

Se dois corpos de natureza diferentes forem atritados entre si, como um bastão de vidro num pano de seda, um dos corpos perde elétrons (ficando positivo) e o outro ganha os mesmos elétrons (ficando negativo).

Lei da conservação da carga elétrica - a soma algébrica das cargas elétricas de um sistema isolado se mantém constante, isto é, a carga elétrica total não se altera.

Série tribo elétrica

 

Eletrização por contato

Se um corpo condutor estiver previamente eletrizado e encostar-se a outro corpo condutor inicialmente neutro, haverá uma redistribuição de carga elétrica excedente pelos dois corpos, proporcionalmente a capacidade elétrica de cada um. Se os corpos forem iguais, cada um deles ficará com a metade da carga elétrica inicial em excesso em um deles.

As cargas em excesso se distribuem pela superfície externa do condutor, pois todas elas se repelem mutuamente e tendem a ficar o mais afastado possível uma da outra.

Eletrização por indução eletrostática

Se um condutor inicialmente neutro não encostar, mas ficar relativamente próximo de outro previamente eletrizado, este exercerá uma influencia à distancia no outro,. O corpo previamente eletrizado é chamado de indutor e o corpo que sofre a influencia é chamado de induzido.

A indução eletrostática consiste na separação de cargas que ocorre em um condutor neutro quando dele é aproximado, sem tocá-lo, um corpo eletrizado, a simples indução eletrostática não eletriza o indutor, que continua neutro, já que as cargas induzidas nas regiões mais próximas e mais afastadas são iguais e opostas.

Para eletrizar o indutor é necessário ligá-lo a Terra enquanto o indutor ainda está presente. A influência do indutor fará com que, neste exemplo, a carga elétrica negativa induzida escoe para a Terra. Se ainda na presença do indutor for desfeita a ligação com a Terra, o induzido ficará com falta de elétrons, tornando-se então eletrizado positivamente.

Se o indutor tivesse carga positiva haveria um fluxo de elétrons da Terra para o induzido, o qual no final ficaria carregado negativamente. Assim, no processo de eletrização por indução o induzido sempre adquire carga elétrica de sinal oposto ao da carga elétrica do indutor.

EXERCÍCIOS:

1. As principais partículas que constituem um átomo são os prótons, os elétrons e os nêutrons. A carga elétrica de um próton é......................., enquanto a carga de um elétron é...................... . O nêutron não apresenta carga elétrica .A carga de um próton é............. a carga de um elétron em valor absoluto.

2.Se um corpo A, eletrizado positivamente, repele outro corpo eletrizado B e este, por sua vez, atrai um terceiro corpo C, também eletrizado, responda: a)Quais os sinais das cargas elétricas de B e C?  B)O que ocorre se colocarmos A e C em presença um do outro?

3.A lista seguinte forma  uma série tribo elétrica:  vidro,marfim,lã,papel e seda.

Suponha que um pedaço de marfim tenha sido atritado com papel.

a)Qual o sinal da carga que cada um adquire?

b)Qual deles perdeu elétrons?

4. Uma partícula com carga elétrica negativa Q= - 3,2 .10^-15C. Essa partícula está com excesso ou falta de elétrons? Calcule essa diferença?

5.Podemos afirmar que um corpo negativamente eletrizado: a)possui excesso de prótons; b)perdeu prótons; c)possui falta de elétrons; d)ganhou elétrons.

6.Um bastão de vidro, após ser atritado num pedaço de lã, ficou com carga elétrica Q=+8,o nC.

a)o bastão ganhou ou perdeu elétrons?

b)quantos elétrons o bastão ganhou ( ou perdeu)?

7.Dispõe-se de três esferas condutoras idênticas e isoladas uma da outra. Duas delas A e B, estão neutras, enquanto a esfera C está eletrizada com carga elétrica Q. Faz-se a esfera C tocar primeiro a esfera A e depois a esfera B. No final desse procedimento, qual a carga das esferas ?

8.Um sistema é formado por três corpos X, Y e Z, cujas cargas elétricas são: Q_x= +3µC, Q_y= -9 µC e Q_z= +2 µC. Qual a carga elétrica do sistema?

9.Um corpo condutor inicialmente neutro perde 5,0 .10 ¹³elétrons. Considerando a carga elementar e=1,6.10^-19C, qual será a carga elétrica no corpo após esta perda de elétrons?

10.Um corpo possui 5,0.10¹⁹  prótons e 4,0.10¹⁹ elétrons. Considerando a carga elementar e=1,6.10^-19C , qual a carga deste corpo?

11.Em uma atividade no laboratório de física, um estudante, usando uma luva de material isolante, encosta uma esfera metálica A, carregada com carga +8 µC, em outra idêntica B, eletricamente neutra. Em seguida, encosta a esfera B em outra C, também idêntica e eletricamente neutra. Qual a carga de cada uma das esferas?

Trabalho em grupo (três alunos)

I)Há muitas situações do dia a dia em que o atrito pode gerar cargas elétricas nos mais diferentes corpos. Por exemplo, os aviões podem ficar eletrizados pelo atrito com o ar. Esse fato poderia provocar eventualmente acidentes graves; quando o avião estivesse abastecendo, poderia saltar faíscas, incendiando os vapores do combustível. Com seus colegas pesquise qual é o procedimento adotado para evitar que este fato aconteça. Apresentem outras situações semelhantes.

II)Para verificar se corpos estão eletrizados ou não e para determinar o sinal da carga de um corpo eletricamente carregado, usam-se dispositivos genericamente denominados eletroscópios. Dentre esses, destacam-se o pendulo elétrico e o eletroscópio de folhas. Em grupo com seus colegas pesquise sobre o que é e como funcionam esses dispositivos, construam modelos desses aparelhos e realizam demonstrações práticas em aula.