ELETRICIDADE 1 ELETROSTÁTICA. Estrutura atômica, Carga Elétrica e Eletrização

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1 ELETRICIDADE 1 ELETROSTÁTICA Estrutura atômica, Carga Elétrica e Eletrização Professor: Danilo Carvalho de Gouveia Slides elaborados a partir da aula do prof. Amaury Menezes e referências complementares 1

2 ELETRICIDADE É o ramo da Física que estuda os fenômenos relacionados às Cargas Elétricas. a) Eletrostática - estuda as Cargas Elétricas em repouso. b) Eletrodinâmica estuda as Cargas Elétricas em movimento. c) Eletromagnetismo - estuda os fenômenos que relacionam o Campo Elétrico e o Campo Magnético. 2

3 Atrite o pente, ou a caneta, com um pedaço de pano, ou lã, ou seda; Verá que o pente, ou a caneta, depois de atritado, atrai aqueles corpos leves. aproxime de pedaços de papel ou de cortiça. Com essa observação simples concluímos que o pente ou a caneta, quando atritado, adquire uma propriedade nova, que não possui quando não é atritado. 3

4 INTRODUÇÃO - O termo eletricidade origina-se do termo elektron, nome grego do âmbar. - Em meados de VI a.c.,tales de Mileto, filósofo e matemático grego, após ter atritado um pedaço de âmbar (resina fossilizada) com pele de animal, verificou que o 1º passou a atrair objetos leves como uma pena. 4

5 No século XVI, o inglês William Gilbert verificou que além do âmbar, diversas substâncias se eletrizavam ao ser atritada, ele chamou esses materiais de elétricos. Em 1660, o cientista Otto Von Guericke ( ) inventou a primeira máquina eletrostática. Otto fez várias experiências com objetos, e descobriu que alguns materiais eletrizados pela máquina podiam repelir outros objetos. 5

6 No século XVIII, o cientista inglês Stephen Gray ( ), após inúmeras experiências e conceitos, criou a distinção entre os corpos que conduziam corrente elétrica (condutores) e os que não conduziam (isolantes). Charles François Dufay ( ), notou que os corpos poderiam ser eletrizados com cargas diferentes. 6

7 Em 1747, a ideia de carga positiva e negativa é introduzida por Benjamin Franklin ( ). 7

8 Posteriormente se criou a teoria dos dois fluidos. Consistia em admitir que em todos os corpos existissem, em quantidades praticamente ilimitadas, dois fluidos elétricos: um positivo, outro negativo. Os fluidos de mesma espécie se repeliriam, e os de espécies diferentes se atrairiam. Um corpo estaria eletrizado positiva ou negativamente de acordo com o excesso de um fluido sobre o outro. pudim de ameixas núcleo e eletrosfera sistema planetário dividido em 7 camadas Teoria Quântica a Equação de Schrodinger: descrever o movimento de onda Thomson Rutherford As ideias atuais a respeito da eletricidade só puderam surgir depois que os físicos começaram a desconfiar da existência do elétron, em fins do século XIX, e pouco tempo depois vieram a confirmar a sua existência. "Atualmente, tomando como ponto de partida que os elétrons e os prótons são partículas materiais dotadas de carga elétrica, nós conseguimos explicar quase a totalidade dos fenômenos elétricos conhecidos. 8

9 Teoria atômica moderna : ELETROSTÁTICA A matéria é constituída por átomos, e estes por sua vez são formados por elétrons, prótons e nêutrons. Descobriu-se que os elétrons e os prótons possuem carga elétrica, e que os nêutrons não. 9

10 Existem dois tipos de cargas, e decidiram chamar uma de positiva (+) e outra de negativa ( - ), somente para diferenciá-las. Adotaram a carga positiva para o tipo de carga do próton e negativa para o tipo de carga do elétron. Carga elétrica nada mais é do que uma propriedade existente entre prótons e elétrons que possibilita a ocorrência de interação entre eles. Lembre-se que ocorre interação entre dois corpos quando eles trocam forças entre si, ou seja, quando um aplica força sobre o outro. Constatou-se também que a interação entre estas cargas acontece da seguinte maneira: cargas de mesmo sinal se repelem enquanto cargas de sinais opostos se atraem 10

11 CORPOS ELETRIZADOS A carga elétrica de um Próton ou de um Elétron é chamada de carga elétrica elementar, sendo representada por e; No Sistema Internacional, seu valor é: e = ±1, coulomb = 1, C De modo geral os corpos são formados por um grande número de átomos. Como a carga de cada átomo é nula, a carga elétrica total do corpo também será nula e diremos que o corpo está neutro. n p =n e corpo neutro 11

12 No entanto é possível retirar ou acrescentar elétrons de um corpo, por meio de processos que veremos mais adiante. Desse modo o corpo estará com um excesso de prótons ou de elétrons; dizemos que o corpo está eletrizado n p >n e corpo eletrizado positivamente (falta de elétrons) n p <n e corpo eletrizado negativamente (excesso de elétrons) 12

13 Carga elétrica num corpo (Q) É a grandeza Física associada á quantidade de eletricidade presente num corpo, e pode ser calculada por: Q = n.e **n - número de elétrons em excesso ou em falta num corpo **e = 1, coulomb = 1, C EXEMPLO : Um corpo está eletrizado com 1C, quantos elétrons ele tem em falta? Q = n.e 1c = n.1, n = 6, elétrons 13

14 1 Coulomb(6, elétrons), é uma quantidade de carga muito grande aproximadamente seis quintilhões de elétrons. Seria praticamente impossível manter essa quantidade de carga sob controle, caso estivesse concentrada numa região muito pequena. Frequentemente as cargas elétricas dos corpos é muito menor do que 1 Coulomb. Assim usamos submúltiplos. Os mais usados são: 14

15 CARGA ELÉTRICA É uma propriedade ligada à natureza de um corpo responsável pela interação elétrica entre os corpos, ou seja, de atração e repulsão. Existem partículas menores que os prótons e nêutrons. 15

16 CARGA ELEMENTAR. É o termo que era utilizado para qualificar uma carga que não poderia ser mais dividida (menor carga elétrica encontrada na natureza) Sendo a carga do elétron a menor quantidade de carga elétrica existente na natureza, ela foi tomada como carga padrão nas medidas de carga elétricas. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de medida de carga elétrica é o Coulomb (C). Simbolicamente representada pela letra e. carga elementar: e= 1, C carga do elétron: - 1, C carga do próton: + 1, C 16

17 PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA Princípio da Atração e Repulsão F + + F - F - F Duas partículas com cargas elétricas do mesmo sinal se repelem mutuamente 17

18 Duas partículas com cargas elétricas de sinais contrários se atraem mutuamente. + F F - 18

19 PODEMOS DETERMINAR A CARGA DE UM CORPO POR MEIO DE: Q = n. e Onde: Q= carga elétrica (C ) n= número de elétrons ou prótons. e= carga elementar 19

20 ELETRIZAÇÃO DE UM CORPO Quando há um desequilíbrio entre o número de elétrons e o número de prótons, o corpo está eletrizado. 20

21 - Para que um corpo esteja carregado positivamente, é necessário que seus elétrons estejam em menor número que os seus prótons. 21

22 - Para que um corpo esteja carregado negativamente é necessário que os seus elétrons estejam em maior número que seus prótons. 22

23 - Para que um corpo seja considerado neutro, seu número elétrons deve ser igual ao seu número de prótons

24 CONDUTORES São as substâncias nas quais os ELÉTRONS se locomovem com facilidade por estarem fracamente ligados aos átomos. Tem maior facilidade em conduzir a eletricidade. 24

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26 ISOLANTES Os elétrons estão ligados fortemente ao átomo, o que dificulta sua livre movimentação. São materiais que não transmitem a energia elétrica com facilidade ou nem transmitem. 26

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28 PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE CARGAS ELÉTRICAS Num sistema eletricamente isolado, a soma das cargas elétricas positivas e negativas é constante, mesmo que haja transferência de carga de um corpo para outro. 28

29 PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO DE UM CORPO ATRITO - Foi o primeiro processo de eletrização conhecido. - Quando duas substâncias de naturezas diferentes são atritadas, ambas se eletrizam. - No início os corpos estão neutros. - No final os corpos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas, porém de sinais contrários. 29

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31 Ex: Lã tendência de doar elétrons para quem está abaixo dele na lista. Se atritarmos lã e cobre, o cobre ficará carregado negativamente e a lã positivamente. 31

32 CONTATO Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza. No inicio pelo menos um deles deve estar carregado. No final, os corpos envolvidos possuem a mesma carga e de mesmo sinal. 32

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34 Q1 Q2 Q! 1 Q! 2 + Q 1 Q 2 = Q! 1 ANTES DO CONTATO + DEPOIS DO CONTATO Q! 2 34

35 INDUÇÃO Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza. Esse fenômeno é chamado indução eletrostática. 35

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37 PÊNDULO ELETROSTÁTICO É constituído por um corpo leve e condutor, preso à extremidade de um fio isolante, preso à um suporte isolante Basicamente se deve aproximar o corpo suspeito de estar eletrizado à esfera do pêndulo: eles podem se aproximar ou se afastar O afastar indica que tanto o corpo eletrizado e o pêndulo tem cargas de mesmo sinal. O aproximar indica que o corpo eletrizado e o pêndulo tem cargas de sinais opostos (ou o pêndulo está neutro). Fio isolante Corpo condutor Corpo condutor Base isolante Corpo eletrizado Suporte 37

38 ELETROSCÓPIOS: Dispositivos destinados a verificar, se um corpo está ou não eletrizado. Um eletroscópio simples é o pêndulo elétrico. É constituído por uma haste de suporte e por um fio de seda com uma bola de isopor ou outro material adequado na sua extremidade. As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma experiência eletrostática _ Universidade Tecnológica + Federal + do Paraná - Departamento Acadêmico + de Eletrônica

39 ELETROSCÓPIO DE FOLHAS Constituído de duas folhas metálicas leves, isoladas do ambiente, presas a um suporte cujo sensor está para fora. Para saber se o corpo está eletrizado, aproxima-se o corpo do sensor e verifica-se o que acontece às folhas: as folhas podem se abrir ou se fechar. Corpo Sensor Sensor Se as folhas se abrem, indica que o corpo está eletrizado. Se o eletroscópio também estiver eletrizado, isso informa que a carga do corpo e do eletroscópio são iguais Se as folhas se fecham, indica que o corpo não está eletrizado ou, se o eletroscópio também estiver eletrizado, isso informa que a carga do corpo e do eletroscópio são diferentes Frasco isolante Folhas metálicas 39

40 Basicamente, é constituído por um frasco de vidro e duas leves folhas metálicas presas a um bastão metálico em ligação com o exterior da garrafa. As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma experiência eletrostática

41 REFERÊNCIAS LIVROS ALBUQUERQUE, Rômulo Oliveira. Análise de circuitos em corrente contínua, 8ª ed., Érica, SP, BOYLESTAD, Robert L. Introdução a análise de circuitos, Prentice-Hall do Brasil Ltda., SP, MENDONÇA, Roberlam G. de; SILVA, Rui Vagner R. Eletricidade Básica. Curitiba: Editora o Livro Técnico, O MALLEY, John R.: Análise de circuitos, Mc-graw-Hill do Brasil, Ltda., SP, SITES