CARGAS ELÉTRICAS. Por Jonathan T. Quartuccio

Transcrição

1 CARGAS ELÉTRICAS Por Jonathan T. Quartuccio Há muito tempo o homem vem estudando fenômenos relacionados a eletricidade. Na Grécia antiga, o fenômeno de atração entre corpos já era observado quando se atritava âmbar com outros materiais. A palavra âmbar em grego é elektron, e dessa maneira surgiu o conceito eletricidade. Carga elétrica e a teoria atômica Sabemos que tudo a nossa volta é composto de átomos. As primeiras idéias do átomo surgiram na Grécia antiga, com Leucipo e Demócrito, por volta de 450 a.c. Para esses dois pensadores, toda a matéria pode ser dividida, até chegarmos a um ponto em que não é mais possível dividirmos parte alguma. Esse minúsculo pacote de matéria recebeu o nome de átomo, indivisível. Mas isso é matéria apenas para uma outra frente da física. O que vamos tratar aqui é a respeito das cargas elétricas do átomo. A visão que temos hoje a respeito do átomo é que, diferente do termo usado por Demócrito, o nosso átomo apresenta divisões. Grosso modo, o átomo é constituído de 3 partículas elementares: prótons, nêutrons e elétrons. Mas a verdade é que mais de 200 partículas já foram detectadas através de colisões de núcleos. Os

2 prótons e nêutrons, por exemplo, são constituídos de partículas menores chamadas quarks. Os nêutrons, junto com os prótons, habitam no núcleo atômico. O que difere os nêutrons dos prótons é uma propriedade chamada carga elétrica (os primeiros não possuem essa propriedade). Prótons e elétrons possuem carga elétrica, como pode ser observado na tabela a seguir. Embora os prótons e elétrons apresentem massas diferentes, suas cargas elétricas são iguais (em módulo). A carga elétrica de um próton ou de um elétron é denominada carga elétrica elementar, por ser a menor quantidade de carga elétrica da natureza, e é representada por e. No Sistema Internacional de Unidades, a grandeza de carga elétrica é medida em coulomb (C). É preciso lembrar que os prótons e nêutrons estão firmemente presos aos núcleos atômicos. Apenas os elétrons, especialmente os das camadas mais externas denominadas camadas de valência, podem abandonar a estrutura atômica. Portanto, quando um corpo eletriza, quer dizer que houve perda ou ganho de elétrons. Conceitos de carga Corpo Neutro: é quando o número de prótons é o mesmo número de elétrons. Corpo eletrizado positivamente: é quando o número de prótons é maior que o número de elétrons. Corpo eletrizado negativamente: é quando o átomo recebe elétrons. A carga elétrica de um corpo eletrizado é conseqüência do desequilíbrio da quantidade de prótons e elétrons na estrutura do corpo. Pela perda ou ganho de n elétrons, o corpo possuirá uma carga: Q= +- n.e Se o corpo ganhar n elétrons, sua carga será: Q= - n.e Se o corpo perder n elétrons, sua carga será: Q= + n.e

3 O n não pode assumir qualquer valor real, mas apenas valores inteiros. Os princípios da Eletrostática A eletrostática estuda a interação das cargas elétricas em corpos que apresentam um equilíbrio eletrostático. A eletrostática tem por base dois princípios: 1) Princípio de atração e repulsão 2) Princípio da conservação das cargas elétricas O primeiro princípio diz que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto cargas de sinais iguais se repelem. Já o segundo princípio diz que a soma algébrica das cargas elétricas existentes em um sistema eletricamente isolado, é sempre constante. Condutores e Isolantes Um corpo é um bom condutor de eletricidade quando possuem portadores de carga que podem se movimentar mais facilmente pela sua estrutura. Os condutores podem ser divididos em três espécies: 1ª espécie: condutores onde os portadores livres de carga são os elétrons. 2ª espécie: são aqueles em que os portadores livres de carga são os íons positivos (cátions) ou negativos (ânions). 3ª espécie: os portadores de carga podem ser íons positivos e negativos. Por outro lado, um corpo isolante não possui cargas elétricas de

4 condução. O corpo pode até possuir cargas elétricas, mas as mesmas não conseguem se movimentar pela estrutura do corpo. O sal de cozinha, NaCl, no estado sólido, possui íons Na+ e Cl-, sem nenhuma mobilidade. Quando jogado em água, os íons são liberados, o que passa a conduzir corrente elétrica. Processos de Eletrização Quando falamos de eletrização, temos que pensar no processo de retirar ou ceder elétrons a um corpo. Tanto um condutor quanto um isolante podem ser eletrizados, a diferença é que no corpo isolante, a carga elétrica adquirida permanece na região de eletrização e não se espalha pelo resto do corpo. Eletrização por atrito de materiais diferentes: Esse processo de eletrização foi o primeiro conhecido pelo homem. Atritando-se um pedaço de seda com um bastão de vidro percebe-se que o vidro adquire cargas positivas, cedendo elétrons para a seda. As cargas adquiridas pelos materiais são sempre iguais, mas de sinais opostos. Eletrização por contato: é um processo que funciona, essencialmente, entre materiais condutores. Em qualquer condutor com equilíbrio eletrostático, as cargas se dispõem pela superfície, de modo a minimizar a repulsão entre elas (um condutor esférico, por exemplo). Em um condutor não esférico, as cargas se concentram mais nas regiões estremas e pontiagudas. Se tivermos duas esferas condutoras de tamanhos diferentes e encostarmos uma na outra, as cargas elétricas se distribuirão proporcionalmente ao raio das esferas, e a carga total do sistema será conservada. Se duas esferas apresentarem o mesmo raio, as cargas elétricas serão distribuídas igualmente pela superfície das esferas. Eletrização por indução: é o fenômeno de separação das cargas que ocorre na superfície de um condutor quando colocado próximo a um corpo eletrizado. Para que dois corpos se atraem mutuamente, existem três possibilidades para seus estados de eletrização: positivo e negativo; negativo e neutro, positivo e neutro. Indução Parcial e Total - Indução Parcial As cargas induzidas de um condutor neutro são, em módulo, menores que o total das cargas do corpo que provoca a indução. - Indução Total

5 Imagine um condutor oco, com uma carga total +Q, que por sua vez é distribuída pela superfície do condutor. Agora, vamos introduzir dentro desse condutor oco uma esfera pequena com uma carga q. A carga q induzirá uma carga +q de mesmo módulo, mas de sinal contrário, na superfície do condutor oco. Porém, a soma total das cargas do condutor oco é inalterada: +q + (Q q) = +Q. Esse tipo de indução recebe o nome de indução total, pois a carga induzida apresenta o mesmo módulo da carga indutora, mas de sinal contrário. Esse tipo de indução só ocorre quando o indutor está dentro de um induzido, que por sua vez é oco. Eletroscópio O eletroscópio é um aparelho usado para determinar se um corpo está ou não eletrizado. Os dois tipos mais usados de eletroscópio são o de folhas e o pêndulo eletrostático. Unidade de Carga Elétrica No Sistema Internacional, a unidade de carga elétrica é o coulomb ( C ). Como 1 coulomb é uma carga muito grande, na prática, utilizamos alguns submúltiplos como milicoulomb, microcoulomb, etc. A grandeza fundamental da eletricidade não é carga elétrica, mas sim ampéres ( A ). Um ampére equivale a uma corrente elétrica de carga 1 C que atravessa uma área de secção em um intervalo de 1 segundo, ou seja: 1A = C/s. Lei de Coulomb Um cientista inglês chamado Priestley, afirmava que as forças de repulsão e atração entra duas cargas deveriam ser regidas por leis iguais as da gravitação. Mas foi o francês Charles Augustin de Coulomb quem comprovou essa idéia. Essa comprovação ficou conhecida como Lei de Coulomb. As forças de interação entre duas partículas eletrizadas possuem intensidades iguais e são sempre dirigidas segundo o segmento de uma

6 reta que as une. Suas intensidades são diretamente proporcionais ao módulo do produto das cargas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre as partículas. O valor de K é uma constante, denominada constante eletrostática. Essa constante depende do meio em que as cargas elétricas se encontram. De forma geral, o meio a ser considerado é o vácuo, portanto, o valor de K é aproximadamente 9,0 x 10^9 N.m²/C-2. Equilíbrio Eletrostático Um metal está em equilíbrio eletrostático quando não há movimento ordenado de cargas em sua superfície ou interior.