AULA 2- CARGA ELÉTRICA PROF: RAFAEL M. SANTOS

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1 AULA 2- CARGA ELÉTRICA PROF: RAFAEL M. SANTOS

2 CARGAS ELÉTRICAS CAPÍTULO O QUE É FÍSICA? CARGAS ELÉTRICAS CONDUTORES E ISOLANTES LEI DE COULOMB A CARGA É QUANTIZADA A CARGA É CONSERVADA

3 O QUE É FÍSICA? O ELETROMAGNÉTISMO é a Parte da física que estuda as propriedades elétricas e magnéticas da matéria, em particular as relações estabelecidas entre elas. Tales de Mileto, no século VI a.c., já conhecia o fenômeno e procurava descrever o efeito da eletrostática no âmbar. Também os indianos da antiguidade aqueciam certos cristais que atraiam cinzas quentes atribuindo ao fenômeno causas sobrenaturais. O fenômeno porém, permaneceu através dos tempos apenas como curiosidade. No século XVI, William Gilbert utilizou a palavra "eletricidade", esta derivada da palavra grega elektron que era o nome que os gregos davam ao âmbar. Gilbert reconheceu que a propriedade eletrostática não era restrita ao âmbar amarelo, mas que diversas outras substâncias também o manifestavam, entre estas diversas resinas, vidros, o enxofre, entre outros compostos sólidos. Através do fenômeno da eletrostática nos sólidos, observou-se a propriedade dos materiais isolantes e condutores. Otto von Guericke inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática. Esse era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas.

4 O QUE É FÍSICA? Em 1727, Stephen Gray notou que os condutores elétricos poderiam ser eletrizados desde que estivessem isolados. Charles Du Fay descobriu que existiam dois tipos de eletricidade, a vítrea, e a resinosa, a primeira positiva e a segunda negativa. Petrus Van Musschenbroek em 1745 descobriu a condensação elétrica ao inventar a garrafa de Leyden, o primeiro capacitor, que permitiu aumentar os efeitos das centelhas elétricas. Garrafas de Leyden são usadas até os dias de hoje em Máquinas Eletrostáticas como a Máquina de Wimshurst. Benjamin Franklin, com sua experiência sobre as descargas atmosféricas, demonstrou o poder das pontas inventando o pára-raios, porém foi Coulomb quem executou o primeiro estudo sistemático e quantitativo da estática demonstrando que as repulsões e atrações elétricas são inversamente proporcionais ao quadrado da distância, em Descobriu ainda o cientista, que a eletrização ocorrida nos condutores é superficial. Os resultados obtidos por Coulomb foram retomados e estudados por Pierre Simon Laplace, Simeón-Denis Poisson, Biot, Carl Friederich Gauss e Michel Faraday.

5 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Eletrostática é o ramo da Física que estuda as cargas elétricas em repouso e as interações atrativas ou repulsivas que ocorrem entre elas. Carga elétrica é uma propriedade física da matéria que determina as interações eletromagnéticas. Esta carga está armazenada em grande quantidade nos corpos ao nosso redor, mas a percepção dela não ocorre facilmente. Convenciona-se a existência de dois tipos de carga, a positiva e a negativa, que, em equilíbrio, são imperceptíveis. Partícula Carga (coulomb=c) Massa (Kg) elétron -1, x ,1095 x Kg próton 1, x ,67261 x Kg nêutron 0 1,67492 x Kg

6 21.2 CARGAS ELÉTRICAS ELETRIZAÇÃO Explicação do fenômeno de eletrização: Entre as partículas fundamentais são importantes para a explicação dos fenômenos elétricos o próton, o elétron e o nêutron. Os prótons e os nêutrons se encontram numa região do átomo chamada núcleo. Os elétrons ficam girando ao redor do núcleo, dispostos em várias órbitas. Atualmente explicamos a eletrização dos corpos com a noção que temos da estrutura dos átomos.

7 21.2 CARGAS ELÉTRICAS PRÍNCIPIO DE ATRAÇÃO E REPULSÃO F F - F F + F F -

8 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Processos Eletrização Por atrito Foi o primeiro processo de eletrização conhecido. Quando duas substâncias de naturezas diferentes são atritadas, ambas se eletrizam.

9 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Processos Eletrização Por 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.

10 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Processos Eletrização Por contato Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza

11 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Processos Eletrização Por aquecimento Certos corpos, quando aquecidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários em dois pontos diametralmente opostos. O fenômeno é chamado fenômeno piroelétrico. É mais comum em cristais, como por exemplo na turmalina. Por pressão Certos corpos, quando comprimidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários nas extremidades. O fenômeno é chamado fenômeno piezoelétrico. Também é mais comum em cristais, como por exemplo, turmalina, calcita e quartzo.

12 Raio, Trovão e Relâmpago

13 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Lenda: Se não está chovendo não caem raios. Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva. Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa seja atingida por um raio. Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior; sem tocar em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro é sempre mais seguro dentro do que fora dele. Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e não devem ser tocadas. Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico, especialmente reanimação cardio-respiratória. Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Verdade: Não importa qual seja o local ele pode ser atingido repetidas vezes, durante uma tempestade. Isto acontece até com pessoas.

14 21.2 CARGAS ELÉTRICAS Portadores de Cargas Os portadores de carga elétrica são: elétrons - que transportam carga negativa Íons - Cátions que transportam cargas positivas Ânions que transporta cargas negativas

15 21.3 CONDUTORES E ISOLANTES Condutores elétricos São materiais que apresentam portadores de cargas elétricas (elétrons ou íons) quase livres, o que facilita a mobilidade dos mesmos em seu interior. São considerados bons condutores, materiais com alto número de portadores de cargas elétricas livres e que apresentam alta mobilidade desses portadores de cargas elétricas.

16 21.3 CONDUTORES E ISOLANTES Supercondutividade - é uma propriedade física. De característica intrínseca de certos materiais, quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, tendem a conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas.

17 21.3 CONDUTORES E ISOLANTES Isolantes ou dielétricos Os materiais isolantes se caracterizam por não apresentar portadores de cargas elétricas livres para movimentação. Nesses materiais, a mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula, ficando os mesmos praticamente fixos no seu interior. Exemplos: borracha, madeira, água pura, etc.

18 21.3 CONDUTORES E ISOLANTES SEMICONDUTORES são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes. Ao contrário do comportamento observado nos metais, contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se consideravelmente aquecidos, contudo.

19 , 21.4 LEI DE COULOMB Lei de Coulomb A Lei de Coulomb é uma lei da Física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Foi formulada e publicada pela primeira vez em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb e foi essencial para o desenvolvimento do estudo da Eletricidade Esta lei estabelece que o módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles

20 , em que: 21.4 LEI DE COULOMB Lei de Coulomb F é a força, em Newtons (N); C2 é a constante elétrica, r é a distância entre as duas cargas pontuais, em metros (m) e q1 e q2, os respectivos valores das cargas, em Coulombs (C). é o vetor que indica a direção em que aponta a força eléctrica. Por vezes substitui-se o fator por k, a constante de Coulomb, com k N m²/c². Assim, a força elétrica, fica expressa na forma: A notação anterior é uma notação vectorial compacta, onde não é especificado qualquer sistema de coordenadas. Se a carga 1 estiver na origem e a carga 2 no ponto com coordenadas cartesianas (x,y,z) a força de Coulomb toma a forma:

21 LEI DE COULOMB Q 1 Q 2 F + + d F Q - 1 F - d Q 2 F Q 1 + F F - d Q 2

22 Q 1 Q 2 d F = K. Q. Q 1 d 2 2 Q 1 Q 2 2d + + F = K. Q. Q 1 d 2 Q 1 Q 2 3d + + F 1 = 3 9 K. Q. Q 1 d 2 F = 1/4F F = 1/9F

23 Q 1 Q 2 F = K. Q Q d + + d/ d 2 Q 1 Q 2 F = 4.K. Q Q Q Q 1 2 d/3 + + F = 4F F = 9F d 2 F = 9.K. Q. Q d 2 2

24 Q 1 Q 2 d Q 2Q 1 2 d + + Q 3Q 1 2 d + + F = K. Q. Q 1 d 2 2 F = 2K. Q. Q 1 2 d 2 F = 3K. Q. Q 1 3 d 2 F = 2F F = 3F

25 21.5 A CARGA É QUANTIZADA Principio de quantização das cargas elétricas a palavra quantum (plural = quanta) é uma palavra latina e significa quantidade. Em física a palavra quantum foi usada para designar a menor quantidade em que uma grandeza ou propriedade é encontrada na natureza. A menor unidade da energia eletromagnética na natureza é o fóton e assim o fóton é o quantum da energia eletromagnética. A menor unidade com que a carga elétrica aparece livremente na natureza é a carga do elétron, ou do próton (que diferem em sinais). Dessa maneira fótons e cargas elétricas só existirão em números múltiplos dessas unidades. Esse tipo de grandeza com essas características são ditas quantizadas.

26 21.6 A CARGA É CONSERVADA Principio de conservação da carga elétrica Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e as de sinais opostos se atraem Carga elétrica não se cria, não se perde, apenas se transfere Num sistema eletricamente isolado, a soma das cargas elétricas é constante.

27 Q = 3Q Q = -5Q Q 1 + ANTES DO CONTATO Q! 1 Q! 1 Q 2 = Q! 1 + DEPOIS DO CONTATO Q 2! = Q = Q Q 3Q+(-5Q) = 2! + = Q! = -Q 2 Q! 1 = -2Q = 2 Q! 2 -Q