FÍSICA MÓDULO 1. Carga Elétrica. Professor Sérgio Gouveia

Transcrição

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2 FÍSICA Professor Sérgio Gouveia MÓDULO 1 Carga Elétrica

3 INTRODUÇÃO Se atritarmos um pente de plástico com um pedaço de flanela verificaremos que o pente se torna capaz de atrair objetos leves como fios de cabelo ou pedacinhos de papel. Costumamos dizer que o pente se eletrizou ou que adquiriu eletricidade. A palavra eletricidade origina-se da palavra grega elektron, cujo significado é âmbar. O âmbar é uma resina fóssil amarela. No século VI antes de Cristo o filósofo grego Tales, da cidade de Mileto, observou que ao atritar o âmbar com o tecido de sua roupa, ele se tornava capaz de atrair corpos leves. Adquirir eletricidade significa adquirir a mesma capacidade do âmbar (elektron) quando atritado. Na verdade todo e qualquer corpo, quando atritado com outro, adquire esta propriedade. Passaremos a dizer que o corpo adquiriu carga elétrica.

4 A DESCRIÇÃO DE ALGUNS EXPERIMENTOS EXPERIMENTO 1 Suponha que dispomos de duas réguas, uma de vidro (V) e outra de plástico (P). Atritamos uma contra a outra e depois as aproximamos. Verificaremos que após terem sido atritados as réguas se atraem. Repetindo o experimento com vários outros materiais verificaremos que: Dois corpos atritados um com o outros, após atritados, se atraem.

5 EXPERIMENTO 2 Atritemos um pedaço de vidro com lã. Aproximemos o pedaço de vidro de um pedacinho de metal (uma bolinha de papel de alumínio) suspensas por um fio de linha de costura. A bolinha será atraída. Repetindo o experimento com outros materiais verificaremos que todo corpo que foi atritado se torna capaz de atrair objetos leves e que não foram atritados.

6 EXPERIMENTO 3 Se, no experimento 2, permitirmos que a bolinha metálica toque o pedaço de vidro verificaremos que após o contato a bolinha é repelida pelo vidro. a) b) c) Se, no entanto usarmos o mesmo pedaço de vidro (que foi previamente atritado com lã) e uma bolinha de cortiça seca, verificaremos que a bolinha de cortiça permanecerá colada ao vidro durante algum tempo até que se solte dele. Os diversos materiais se comportam ou de forma semelhante â bolinha metálica ou de forma semelhante à bolinha de cortiça seca. Chamaremos condutores aos que se comportam como a bolinha metálica e isolantes aos que se comportam como a bolinha de cortiça.

7 EXPERIMENTO 4 Vamos agora tomar duas bolinhas de vidro e duas bolinhas de plástico. Atritemos as de plástico com seda e as de vidro com lã. Coloquemos-nas em presença como indicado abaixo: (1) (2) (2) (3) Experimentando com outros materiais verificaremos que ou se comportam como o vidro e diremos que adquiriram carga elétrica positiva (+), ou se comportam como o plástico e diremos que adquiriram carga negativa (-). O experimento 4, pode ser resumido com as figuras: (1) (2) (3)

8 Concluímos que: Na natureza há duas espécies de carga elétrica; Cargas de mesma espécie repelem-se, cargas de espécies diferentes atraem-se.

9 LEI DE COULOMB Coloquemos duas esferas pequenas, com cargas elétricas, a uma distância r uma da outra e façamos a medida da força com que interagem. Fazendo com que apenas r varie e medindo os sucessivos valores de força obtemos uma tabela como a que segue. r F r/5 25F r/4 16F r/3 9F r/2 4F r F 2r F/4 3r F/9 4r F/16 5r F/25

10 Observe que: 2 2 r r F F 25F x 16F F. r². 4r ² 5r ² O que é o mesmo que dizer: Força x quadrado da distância = constante

11 Pode-se repetir o experimento com outros corpos carregados com cargas de mesma espécie ou de espécies diferentes, não importa, o resultado é o mesmo: Corpos carregados, de pequenas dimensões, interagem com uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância entre eles. A constante K da expressão (1) depende do meio material entre os dois pequenos corpos.

12 Corpos carregados de dimensões pequenas, isto é, muito menores que a distância r entre eles serão doravante denominados cargas pontuais (pontos com cargas). Tal é a Lei de Coulomb: A força entre duas cargas pontuais, num mesmo meio, é proporcional ao inverso do quadrado da distância r entre elas. As forças têm a direção da reta que une as cargas e têm mesmo módulo F e sentidos opostos.

13 A GRANDEZA CARGA ELÉTRICA (Q) Chamaremos carga elétrica de um corpo ao seu poder de exercer força (atrativa ou repulsiva) sobre um outro corpo. Para definir a grandeza carga, necessitamos de um critério de igualdade e de um critério de multiplicidade. Tais critérios, que são arbitrariamente tomados, são os seguintes: Critério de igualdade Dadas duas cargas q A e q B diremos que são iguais se, à mesma distância, exercerem sobre uma terceira carga q C, forças de mesmo módulo.

14 Critério de multiplicidade O critério de multiplicidade acima define carga como uma grandeza proporcional à força que produz. Se F nf, então q nq AC BC A B Com efeito: F F AC BC q n, e A n q B Logo: F q F F AC A AC BC F q q q BC B A B c te

15 A FÓRMULA DE COULOMB F -F F F F F q F q F q F q F F r 2 r 2 Logo, F F qq r qq constante x 1 2 depende do meio r 2 F qq K 1 2 qq 1 2 meio r 2 F k0 2 r

16 A UNIDADE SI A unidade de força no SI é o Newton, símbolo N. 1 N é equivalente ao peso de cerca de 100 g. A unidade de carga no SI é o coulomb, símbolo C A constante K 0 tem valor. O coulomb será definido mais tarde. Nm K 9,0 10 c 2

17 EXERCÍCIO Duas cargas iguais a 1 C distam 1 m no vácuo. Qual a força com que interagem? RESOLUÇÃO F K q q r 11 F F N Esta força é imensa, é aproximadamente igual ao peso de toneladas! Conclui-se que o coulomb é uma carga extremamente elevada!

18 UMA TEORIA PARA OS FENÔMENOS DESCRITOS NO ITEM 2 Admitiremos o seguinte princípio como verdadeiro: Carga elétrica não se cria, nem se destrói Conhecido como princípio da conservação da carga elétrica é um dos mais bem fundamentados em Física. Admitiremos que a matéria é constituída por partículas muito pequenas que denominaremos átomos. Os átomos, por sua vez, são basicamente constituídos por três tipos de partículas, os prótons, os elétrons, e os nêutrons.

19 Os prótons têm carga elétrica positiva, os elétrons têm carga elétrica negativa de mesmo módulo que a dos prótons, os nêutrons não têm carga elétrica. Carga do próton: Carga do elétron: p 1, C e 1, C Os prótons e os nêutrons têm massas quase iguais e imensamente maiores que a massa de elétron. p 27 m 1,67 10 kg 27 n p e m 1,67 10 kg m 1840 m e 31 m 9,11 10 kg

20 Os prótons e os nêutrons estão concentrados em um pequeno volume denominado núcleo do átomo. Admitiremos que os elétrons giram em torno do núcleo, a distâncias muito maiores que o diâmetro do núcleo. Quando em seu estado normal o átomo é neutro, tem o mesmo número de prótons e de elétrons. Observe que se duas cargas iguais, uma positiva e outra negativa estiverem muito próximas não exercerão força resultante sobre uma terceira carga:

21 A figura abaixo ilustra o modelo atômico descrito acima: neutron próton elétron Admitiremos que os prótons são praticamente irremovíveis do núcleo e que os elétrons, possuindo grande mobilidade, podem ser removidos de um átomo com certa facilidade.

22 Com estas ideias vamos interpretar o Experimento 1: Quando atritamos um corpo contra outro, um dos corpos retira elétrons do outro e fica com carga negativa, deixando o outro com falta de elétrons, ou seja, com carga positiva:

23 Vamos agora ao Experimento 2 (indução eletrostática): F 1 > F 2, pois as cargas negativas estão mais próximas, o que resulta em atração.

24 EXPERIMENTO 3 Bolinha Metálica Elétrons passam da bolinha metálica para o corpo de vidro, a esfera fica com carga positiva e o vidro ainda com carga positiva, embora menor que antes, o resultado é: Admitimos acima que a bolinha metálica, corpo condutor, tem elétrons de imensa mobilidade, que facilmente podem se deslocar.

25 Bolinha de Cortiça Na cortiça, um isolante, admitiremos uma pequena mobilidade dos elétrons e consequentemente uma dificuldade muito maior para arrancá-los. Elétrons rearrumam-se (1) Os elétrons não se transferem, os corpos permanecem juntos se eventualmente alguns poucos elétrons se transferem os corpos se separam. (2)

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