Física III. Capítulo 02 Eletrostática. Técnico em Edificações (PROEJA) Prof. Márcio T. de Castro 18/05/2017

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1 Física III Capítulo 02 Eletrostática Técnico em Edificações (PROEJA) 18/05/2017 Prof. Márcio T. de Castro

2 Parte I 2

3 Átomo Átomo: sistema energético estável, eletricamente neutro, que consiste em um núcleo denso, positivamente carregado, envolvido por uma eletrosfera, negativamente carregada.

4 Partículas Atômicas Prótons Nêutrons Elétrons Localização Núcleo Núcleo Eletrosfera Carga Positiva Nula Negativa Massa 1, kg 1, kg 9, kg

5 Elemento Químico Elemento Químico: os átomos se diferenciam pela quantidade de prótons (número atômico) que formam seu núcleo.

6 Princípio Básico da Eletrostática Princípio da Atração e Repulsão: cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem.

7 Átomos e Íons Átomo (eletricamente neutro): estado natural do átomo que apresenta igual número de prótons e elétrons. Íon positivo (Cátion): átomo que perdeu elétron(s) ficando carregado positivamente. Íon negativo (Ânion): átomo que ganhou elétron(s) ficando carregado negativamente.

8 Elétrons Livres Elétrons Livres: elétrons que podem abandonar seus átomos. Corrente Elétrica: movimento ordenado dos elétrons livres.

9 Parte II 9

10 Isolantes Isolantes (Dielétricos): apresentam fortes ligações químicas não possuindo elétrons livres e não são passíveis de formar corrente elétrica. Utilidade: impedem fuga de corrente elétrica para locais indesejados. Exemplos: borracha, madeira, vidro, cerâmica e plástico.

11 Condutores Condutores: materiais nos quais a quantidade de elétrons livres é muito grande e a possibilidade de criação de corrente elétrica é altíssima. Corrente Eletrônica: corrente elétrica a partir do fluxo de elétrons nos materiais metálicos. Corrente Iônica: corrente elétrica a partir do movimento simultâneo de prótons e elétrons num material líquido. Plasma: estado físico da matéria, similar ao gás, no qual certa porção das partículas é ionizada, podendo gerar corrente elétrica.

12 Semicondutores Semicondutores: são sólidos capazes de mudar sua condição de isolantes para condutores através de excitação térmica. Utilidade: retificador de corrente elétrica (diodos), moduladores de sinais elétricos (transistores) e circuito integrado (chip). Exemplos: germânio e silício.

13 Teoria das Bandas Teoria das Bandas: os elétrons semilivresse localizam na banda de valência e quando estes recebem certa quantidade de energia (gap de energia) ele se tornam livres e vão para a banda de condução.

14 Parte III 14

15 Carga Elétrica Carga Elétrica (Q,q): é a quantidade de eletricidade de um corpo eletrizado. Unidade (SI): coulomb (C). Unidade (Usual): ampère-hora (Ah) 1 Ah= 3600 C Ex: bateria de 3,4 Ah: 1 A em 3,4 horas 3,4 A em 1 hora

16 Quantização da Carga Carga Elementar (e): menor carga elétrica encontrada na natureza, igual a 1, C. Próton Elétron Neutron Carga (Q) 1, C -1, C 0 Quantização da Carga: a carga elétrica de um corpo é sempre múltiplo da carga elementar, obtida a partir do número de prótons (n p ) e do número de elétrons (n e ). Q= ( n n ). e p e

17 Eletrização Eletrização: fenômeno pelo qual um corpo neutro passa a ser eletrizado.

18 Processos de Eletrização Estática Por Atrito: corpos atritados com cargas de sinais opostos. Por Contato: condutor adquire carga de mesmo sinal Por Indução: corpos carregados por separação de cargas.

19 Lei de Coulomb: Força Elétrica F = k. Q. q d 2 F = força elétrica k= constante elétrica ( Nm²/C² no vácuo) Q e q = cargas elétricas d = distância entre as cargas

20 Força Elétrica Exemplo: temos duas cargas puntiformes, imersas no vácuo, que valem Q= C e q = C. As cargas estão separadas pela distância de 3 m. Caracterize a ação elétrica entre elas. F F F K Q q = 2 d = = F 54 = 10 = N

21 Parte IV 21

22 Campo Elétrico Campo Elétrico: região que toda carga elétrica cria em torno de si, onde ela interage com outras cargas elétricas, caracterizada por um distúrbio nas moléculas do meio onde a carga se encontra.

23 Vetor Campo Elétrico Vetor Campo Elétrico ( ): o campo elétrico num ponto P qualquer criado por uma carga Q, é verificada pela força que surge numa carga de prova q. Módulo: E= F = k. Q 2 q d Direção: reta que une a carga ao ponto. Sentido: Q > 0 (afastamento), Q < 0 (aproximação) Unidade (SI): newton por coulomb (N/C)

24 Linhas de Campo Linhas de Campo: ente geométrico responsável por tornar possível a visualização do campo elétrico no espaço.

25 Blindagem Eletrostática Blindagem Eletrostática: situação em que todos os portadores responsáveis pela eletrização acomodam-se na superfície externa do condutor e o campo elétrico em seu interior fica nulo. Utilidade: transformadores e geradores eletrostáticos.

26 Densidade Superficial de Cargas Densidade Superficial de Cargas (σ m ):dada pelo quociente da carga elétrica Q pela área A. Unidade (SI): coulomb por metro quadrado (C/m²) σ = m Q A

27 Poder das Pontas Poder das Pontas: o módulo da densidade superficial de cargas num condutor eletrizado é maior nas regiões pontiagudas do que nas vizinhanças das outras regiões do condutor.

28 Poder das Pontas Para-raios: dispositivo, formado por uma barra metálica de aproximadamente 1 metro de comprimento e ligada à Terra por um cabo condutor, que ioniza o ar na região onde se encontra, tornando-o condutor e criando um caminho seguro para descargas elétricas.

29 Parte V 29

30 Energia Potencial Elétrica Energia Potencial Elétrica: energia que possibilita que uma carga q, em uma distância d em um campo elétrico criado por uma carga Q, se movimente de um ponto a outro, devido à ação de uma força.

31 Potencial Elétrico Potencial Elétrico (U): grandeza que tem correspondência à energia elétrica potencial adquirida pela carga q, distante d da carga Q, geradora do campo elétrico, sujeita a uma força. Unidade (SI): volt (V). U Fd. Q = = k. q d

32 Diferença de Potencial Elétrico Diferença de Potencial Elétrico (V): potencial elétrico diferenciado entre dois pontos que torna possível o movimento de elétrons. Unidade (SI): volt (V). Nomes: diferença de potencial (ddp) = voltagem = tensão = força eletromotriz (fem) V = U Movimento do Elétron: espontaneamente o elétron recebe energia e vai de um ponto de menor potencial para outro de maior potencial.

33 Diferença de Potencial Elétrico Exemplo: uma carga elétrica Q = 5 nce os pontos A e B afastados dela respectivamente de 0,3 e 0,9 m. Calcule os potenciais nos pontos A e B e a diferença de potencial. Q Q V = U UA = k. d U U A A = = 150 V ,3 9 UB = k. d U U B B = = V ,9 9 V V = = 100 V

34 Diferença de Potencial Elétrico Exemplo: Considere o exemplo passado. Represente esquematicamente um elétron abandonado no meio dos pontos A e B, para Q = +5 nc.

35 Gerador Gerador: equipamento que produz ddp, capaz de separar em si cargas elétricas, apresentando entre dois pontos uma diferença de potencial.

36 Gerador de ddpcontínua Gerador de ddpcontínua: há um polo positivo (maior potencial) e um negativo (menor potencial) e a ddpentre eles é sempre a mesma ao longo do tempo. Pilha: V = 1,5 V Bateria de Automóvel: V =12 V

37 Gerador de ddpalternada Gerador de ddpalternada: há o fio neutro (potencial nulo) e o fio fase, cujo potencial varia com uma determinada frequência com o passar do tempo. Tomada: a ddpalternada permite a transmissão a longas distancias por possibilitar o uso do transformador, que eleva a tensão, reduz a corrente e por sua vez as perdas na transmissão. Tensão: 110 ou 220 V Frequência: 50 ou 60 Hz

38 Gerador de ddpalternada Eletricidade Doméstica (220 V): a tensão disponível na tomada varia entre 310 V e 310 V aproximadamente, mas é como se o aparelho ligado nessa tomada se submetesse a uma tensão constante igual a 220 V (tensão eficaz). Eletricidade Doméstica (110 V): a tensão real varia entre 155 V e 155 V.

39 Ligação com a Terra Ligação com a Terra: para tornar nulo o potencial elétrico de qualquer corpo carregado, basta ligálo à terra. Potencial elétrico da Terra: por receber todos os elétrons que lhe cheguem, possui potencial zero. Utilidade: dispositivo de segurança obrigatório para equipamentos e pessoas. Símbolo: