Carga elétrica. Pense e responda

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1 Capítulo 1 Carga elétrica Neste capítulo 1. Carga elétrica: história, modelo atômico e características 2. Condutores e isolantes 3. Processos de eletrização 4. Mais partículas elementares O Brasil é uma das regiões do planeta onde mais ocorrem raios. Anualmente incidem cerca de 100 milhões de raios no território brasileiro. Nesta fotografia, a cidade de São Paulo. Pense e responda 1. Na fotografia acima, percebe-se que as trajetórias dos raios são diferentes. Relacione três diferenças que podem ser observadas entre as trajetórias dos raios. 2. Em sua opinião, os raios estão subindo ou descendo? 3. Formule hipóteses para explicar como ocorrem os raios. Por que estudar cargas elétricas e processos de eletrização: ``permite compreender as bases principais dos fenômenos elétricos; ``leva à compreensão de diversos fenômenos naturais, como os raios, e do funcionamento de aparelhos tecnológicos, como o para-raios, as pilhas e baterias. materiais isolantes e condutores: ``possibilita entender a ocorrência de choques elétricos e como evitá-los. 10

2 1. Carga elétrica: história, modelo atômico e características Introdução histórica No século VI a.c., os gregos já faziam certas observações de fenômenos elétricos quando utilizavam âmbar, um material fóssil resultante do endurecimento da seiva de uma espécie de árvore já extinta naquela época. O âmbar era utilizado pelos gregos na fabricação de objetos diversos. Alguns filósofos gregos, como Tales de Mileto (625 a.c.-547 a.c.), estudaram a propriedade que o âmbar tem de, após ser atritado com lã ou pele de animais, atrair objetos leves. O nome grego do âmbar é elektron, vindo daí o termo eletricidade. Outras observações se sucederam. Na região da Magnésia, hoje pertencente à Turquia, foram observadas pedras que atraíam ferro. Essas pedras foram chamadas inicialmente de magnetos, depois, de ímãs. Diferentemente do âmbar, os ímãs não perdem a propriedade de atração ao longo do tempo e não precisam ser atritados para atrair objetos ferromagnéticos (como o ferro, o níquel, o cobalto e várias ligas metálicas, como o aço). Pedaço de âmbar polido para servir de enfeite em joias e bijuterias. Magnetita, pedra com atração permanente para o ferro e outros metais denominados ferromagnéticos. Diversas explicações foram formuladas para justificar a atração da magnetita e a do âmbar depois de atritado. No século XVII, o físico e médico William Gilbert ( ) estudou mais profundamente os fenômenos elétricos, fez novos experimentos e concluiu que, além do âmbar, havia outros corpos os quais, depois de atritados, atraíam objetos leves. Algumas experiências de Gilbert foram reproduzidas pelo físico alemão Otto von Guericke ( ). Foi ele quem descreveu ser possível haver também a repulsão entre ímãs e entre certos corpos atritados. Por essa razão, Von Guericke levantou a hipótese de haver tipos diferentes de corpos elétricos e sugeriu ser possível a transferência de eletricidade entre corpos colocados em contato, ainda que não soubesse exatamente como isso ocorreria. Em 1729, o físico inglês Stephen Gray ( ) utilizou fios para conduzir eletricidade e postulou a ideia de que há corpos que conduzem melhor a eletricidade do que outros. Essas descobertas fizeram com que a eletricidade fosse considerada uma espécie de fluido único, contido nos corpos, que era capaz de escorrer para outros corpos. Mas a ideia de um fluido único não era aceita por todos os estudiosos do assunto. Para o físico francês Charles du Fay ( ) havia diferença entre a eletricidade vítrea, obtida pela fricção do vidro, e a eletricidade resinosa, obtida pela fricção do âmbar. Du Fay dizia que corpos dotados do mesmo tipo de eletricidade se repeliam, enquanto aqueles dotados de eletricidade diferente se atraíam. Ao contrário de Du Fay, o cientista estadunidense Benjamin Franklin ( ) afirmava existir somente um tipo de fluido elétrico presente em todos os corpos. Segundo Franklin, corpos com excesso desse f luido deveriam ser chamados de eletrizados positivamente, e corpos com falta desse fluido deveriam ser considerados corpos eletrizados negativamente. Ligado ao tema Benjamin Franklin e o para-raios Gravura representando o experimento de Franklin que resultou na invenção do para-raios. O cientista estadunidense Benjamin Franklin é o responsável pela invenção dos para-raios, resultado de uma pe rigosa experiência realizada por ele. Antes de uma tempestade que se armava com muitos raios, Franklin empinou uma pipa de papel de seda com uma ponta de metal; a extremidade oposta da linha foi colocada dentro de uma garrafa de Leyden, dispositivo que armazena cargas elétricas (será estudado mais adiante). Utilizou apenas uma luva de seda para isolar sua mão, o que caracterizou a atividade como altamente perigosa. Com esse experimento, Franklin demonstrou que apareciam pequenas faíscas elétricas no interior da garrafa de Leyden, o que levou à conclusão de que os raios são faíscas elétricas intensas, conforme o próprio cientista suspeitara. Meses depois, Franklin publicou essa experiência e, com ela, deu recomendações detalhadas de como poderiam ser colocados para-raios para proteger pessoas, matas e plantações. A intenção era que os raios atingissem os para-raios (similares à pipa) em vez de atingirem as plantações e as pessoas, evitando, assim, prejuízos materiais e humanos, já que os raios podem matar e causar incêndios. 11

3 1 Carga elétrica Ligado ao tema Rutherford e o núcleo atômico O físico inglês Ernest Rutherford lançou um feixe radioativo sobre uma fina lâmina de ouro, feixe que depois poderia ser detectado ao colidir com uma lâmina de sulfeto de zinco. feixes transmitidos lâmina de ouro feixes refletidos fonte de partículas alfa tela fluorescente lâmina de sulfeto de zinco raio de partículas alfa cápsula de chumbo Era sabido que o feixe radioativo era capaz de atravessar películas finas, de modo que o resultado esperado era que o feixe fosse totalmente transmitido através da lâmina de ouro, apresentando apenas pequenos desvios em sua trajetória. Embora boa parte do feixe radioativo tenha sido transmitida da maneira esperada, uma parcela, porém, sofreu grandes desvios, e uma parcela ainda menor foi totalmente refletida de volta. Rutherford concluiu que a única maneira de explicar os grandes desvios era considerar que toda a carga positiva do átomo, e grande parte de sua massa, estavam concentradas em uma pequena região do interior do átomo, que chamou de núcleo. Investigações posteriores levaram à conclusão de que o núcleo era formado por partículas menores, de carga positiva, que foram chamados de prótons. Como o núcleo era bastante maciço, e a massa dos prótons não explicava seu valor, Rutherford pressupôs que deveria haver mais partículas no núcleo, as quais não teriam cargas. A essas partículas, foi dado o nome de nêutrons. Modelo inicial de átomo A concepção da eletricidade como fluido permaneceu por muito tempo, e foi abandonada em definitivo somente com a descoberta do elétron, em 1887, pelo físico inglês John Joseph Thomson ( ). Essa descoberta teve papel fundamental na melhor compreensão dos fenômenos elétricos, e inspirou vários modelos de átomo. Um dos modelos de átomo de maior importância foi o proposto pelo físico inglês Ernest Rutherford ( ), posteriormente aprimorado pelo físico dinamarquês Niels Bohr ( ). A contribuição de Bohr será estudada no capítulo sobre Física moderna. Esse modelo se assemelha ao modelo do Sistema Solar, em que o Sol ocupa o centro do sistema e os planetas giram ao seu redor. Por essa razão, foi chamado modelo planetário de átomo. Segundo esse modelo, cada átomo apresenta possui duas regiões, descritas a seguir. Núcleo: é o centro do átomo, formado pelas partículas prótons e nêutrons. Eletrosfera: região em torno do núcleo, na qual orbitam os elétrons. Esquema com cores-fantasia e sem escala do modelo planetário de átomo proposto por Rutherford-Bohr. Os prótons e os nêutrons ficariam no núcleo, enquanto os elétrons orbitariam o núcleo, em uma região praticamente vazia chamada eletrosfera. nêutron próton elétron Características da carga elétrica Tanto os prótons quanto os elétrons tinham poder de atração ou repulsão e, por isso, passou-se a dizer que são partículas portadoras de carga elétrica. Não é possível definir exatamente o que é uma carga elétrica. Sabe-se que se trata de uma propriedade de natureza eletromagnética que certas partículas elementares apresentam. Essa propriedade está associada ao poder de atração ou repulsão dessas partículas. Ou seja, a carga elétrica é responsável pelos fenômenos envolvendo forças de atração e repulsão elétricas. Mas não é possível defini-la. Essas cargas podem ser positivas ou negativas. Elétrons têm carga negativa, e prótons têm carga positiva. Há partículas que não têm carga elétrica. É o caso dos nêutrons, propostos por Rutherford como mais um tipo de partícula presente no núcleo atômico. Ainda de acordo com o modelo de Rutherford-Bohr, cada átomo é neutro, ou seja, tem cargas positivas (1) e negativas (2) em igual quantidade. Sabe-se hoje que os elétrons (2) podem se movimentar de um corpo para outro, pois os prótons (1) ficam presos no núcleo atômico. Quando um objeto está com mais prótons do que elétrons, ou somente com prótons, diz-se que está eletrizado positivamente, pois perdeu elétrons. Se estiver com mais elétrons do que prótons, ou somente com elétrons, diz-se que está eletrizado negativamente. Note-se que essa nova definição é diferente da proposta de Benjamin Franklin, que dizia estar um corpo eletrizado positivamente se contivesse excesso de fluido elétrico, e eletrizado negativamente se nele faltasse fluido. De acordo com o novo modelo, estar eletrizado positivamente corresponde à falta de elétrons; estar eletrizado negativamente corresponde a ter excesso de elétrons. 12

4 A carga elementar Prótons e elétrons têm cargas iguais. Segundo o modelo de Rutherford-Bohr, a carga de ambos é a menor quantidade de carga possível. Por essa razão, é chamada de carga elementar (símbolo e). A determinação do valor e da carga elétrica fundamental foi feita pelo físico norte-americano Robert Millikan ( ) em um famoso experimento que leva o seu nome. Nele, Millikan determinou o seguinte valor da carga elétrica fundamental e. e 5 1,6? C Um próton tem carga 1e, enquanto um elétron tem carga 2e. No SI, a unidade de medida de carga é o coulomb (C), em homenagem ao físico francês Charles Coulomb ( ). A quantidade de carga Q de qualquer átomo, corpo ou objeto é, portanto, um múltiplo inteiro da carga elementar. Para determinar essa quantidade de carga Q de um corpo, deve-se utilizar esta expressão: Q 5 n? e, em que n é o número de partículas em excesso com carga elétrica elementar. Princípio da atração e repulsão Quando próximas, as cargas podem apresentar atração ou repulsão, dependendo do tipo de carga (1 ou 2) que apresentam. O princípio da atração e repulsão pode ser expresso do seguinte modo. Partículas com cargas de sinais iguais se repelem, e partículas com cargas de sinais diferentes se atraem. Pode-se perceber essa interação facilmente, por exemplo, atritando com papel um canudo de plástico e aproximando-o de pequenos pedaços de papel- -alumínio. Caso tenham cargas de mesmo sinal, o canudo e os pedaços de papel-alumínio se repelem; caso tenham cargas de sinais diferentes, atraem-se. Experimento que comprova a existência de atração elétrica entre corpos. Como os corpos se atraem, suas cargas são de sinais diferentes. Experimento que comprova a existência de repulsão elétrica entre corpos. Como os corpos se repelem, suas cargas são de mesmo sinal. Princípio da conservação das cargas Em um sistema isolado eletricamente não há troca de cargas entre sua parte interna o meio externo. Um sistema eletricamente isolado em cujo interior existam n corpos eletrizados, cada qual com uma determinada quantidade de carga tem uma quantidade de cargas total (Q inicial ). Caso as partes internas troquem cargas entre si, após essa troca haverá diferenças nos valores de carga de cada parte, mas o sistema como um todo mantém a mesma quantidade de cargas (Q final ) que apresentava possuía no início. Daí se conclui que a soma das cargas elétricas de um sistema eletricamente isolado é constante, como demonstra a equação a seguir. Ligado ao tema A experiência de Millikan Para determinar o valor da carga fundamental, Robert Millikan analisou o comportamento de gotículas de água eletrizadas submetidas a duas forças ao mesmo tempo: gravitacional e elétrica. força elétrica peso Modelo esquemático do experimento de Millikan. Deixou cair uma gotícula eletrizada entre duas placas carregadas com sinais contrários ( e ). Como consequência, a gotícula foi submetida à força peso e à força elétrica. As cargas da placa estavam reguladas de modo que a gotícula ficasse em equilíbrio. Nessa situação, a força elétrica e a força peso são iguais em módulo. Com esse procedimento, pode- -se igualar as forças e, assim, calcular a quantidade de carga presente na gotícula. Posteriormente, devido ao fato de a água evaporar muito rapidamente, Millikan trocou as gotículas de água por gotículas de óleo. Após longas e exaustivas repetições da experiência, concluiu que a quantidade de carga que provocava a menor alteração possível no movimento da gotícula era igual à carga de um único elétron. Percebeu, também, que todos os demais valores de carga que se podiam adicionar à gotícula eram múltiplos do valor unitário de carga atribuído ao elétron. Q inicial 5 SQ final Esse é o princípio de conservação das cargas, proposto inicialmente por Benjamin Franklin. 13

5 1 Carga elétrica 1. Exercício resolvido Três corpos eletrizados inicialmente com as cargas Q mc, Q mc e Q mc, localizam-se em um sistema eletricamente isolado. Após trocarem cargas entre si, os corpos 1 e 2 apresentam as cargas Q mc e Q mc, respectivamente. (1mC C) a) Determinar a carga final do corpo 3 (Q 3 ). b) Responder se o corpo 3 perdeu ou recebeu elétrons e justificar. c) Calcular o número de elétrons cedidos ou recebidos pelo corpo 2. d) Explicar se após a troca de cargas haverá atração ou repulsão entre os corpos 1 e 3. a) De acordo com o princípio da conservação das cargas, a soma das quantidades de cargas antes das trocas deve ser igual à soma das cargas após as trocas. Assim: Q 1 1 Q 2 1 Q 3 5 Q 1 1 Q 2 1 Q 3 Æ Æ (22? ) 1 5? (24? ) 5 5 1? ? Q 3 Æ Æ Q ? C ou 25 mc b) A carga do corpo 3 inicialmente era de 24 mc e passou ser igual a 25 mc, ou seja, aumentou a quantidade de cargas negativas, indicando que o corpo recebeu elétrons. c) O corpo 2, inicialmente, tinha uma carga de 5 mc e passou a ter uma carga de 3 mc, diminuindo a quantidade de cargas positivas em excesso, indicando que esse corpo recebeu elétrons. Para determinar o número de elétrons recebidos, inicialmente deve-se observar a variação da quantidade de carga. DQ 5 Q 2 2 Q 2 Æ DQ 5 3? (5? ) Æ Æ DQ 5 22? C Para determinar a quantidade de elétrons, utiliza-se a seguinte equação: Q 5 n? e Æ n 5 Q e Æ n 5 22? 1026 Æ 21,6? Æ n 5 1,25? elétrons. d) De acordo com o princípio da atração e repulsão, cargas opostas se atraem. Como Q mc e Q mc são cargas opostas, haverá atração entre os corpos 1 e 3. Exercícios propostos 2. Incide-se um feixe de luz ultravioleta em uma placa metálica. Durante o processo, são ejetados 6,25? elétrons. Determine a quantidade de carga da placa no final do processo, considerando isolado o sistema luz-placa. 3. Dois corpos eletricamente isolados apresentam cargas Q mc e Q mc. Após troca de cargas entre eles, o corpo 1 adquire o dobro de carga do corpo 2. Determine a carga de cada corpo depois da troca. 4. Copie as afirmações abaixo e assinale V, caso a afirmação seja verdadeira e F caso seja falsa. a) Nas trocas de cargas entre corpos, as partículas transferidas são os elétrons. b) Em um corpo eletrizado positivamente, o número de prótons é menor que o número de elétrons. c) Em um corpo neutro, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas. d) Nas trocas de cargas entre os corpos, as partículas transferidas são os prótons. e) Em um sistema fechado, é possível aumentar ou diminuir a quantidade de cargas sem que haja quaisquer trocas de cargas com sistemas externos. f) Todas as vezes que for dito que um corpo está eletrizado negativamente, pode-se concluir que não há nenhuma carga positiva nele. g) Se dois corpos eletrizados se atraem, as suas cargas são de sinais diferentes. 5. Dois corpos encontram-se em um meio eletricamente isolado. Inicialmente apresentavam quantidades de carga iguais a Q mc e Q mc. a) Identifique o tipo de partícula que está em excesso no corpo 1. b) Identifique o tipo de partícula que está em excesso no corpo 2. c) Calcule a quantidade de carga total no meio após esses corpos trocarem cargas entre si. d) Determine a carga do corpo 2 no final da troca de cargas, sabendo que o corpo 1 apresentou uma quantidade de carga igual a 2 mc. 6. Um objeto está carregado com carga Q C. a) Determine a quantidade de prótons em excesso presentes nesse corpo. b) Caso se queira neutralizar esse corpo, identifique qual seria a quantidade de elétrons que deveria ser transferida a esse corpo Pesquisar e explicar por que, ao aproximar o braço do monitor do computador ou da TV quando ligados, os pelos do braço sofrem atração e se levantam, muitas vezes ocorrendo pequenos estalos. Explique em que a carga elétrica de um elétron difere da carga de um próton. Se alguém lhe perguntasse o que é uma carga elétrica, qual seria a sua resposta? 14

6 2. Condutores e isolantes Condutores A matéria é constituída por diferentes tipos de agrupamentos de átomos, que dão origem a estruturas moleculares complexas. Dependendo do material, pode ocorrer maior ou menor circulação de elétrons entre essas estruturas moleculares. Materiais que permitem com facilidade o trânsito de partículas portadoras de cargas elétricas são chamados de condutores. São exemplos de condutores: os metais, o grafite, soluções eletrolíticas, gases ionizados, o corpo humano, a superfície da Terra, entre outros. A condutividade elétrica de alguns materiais pode ser explicada pelo modelo atômico de Rutherford-Bohr. Tome-se como exemplo o caso dos metais. De acordo com o modelo atômico adotado, na estrutura atômica desses materiais, os elétrons das camadas mais externas (ou seja, mais longe dos núcleos) não permanecem ligados aos núcleos dos átomos e, por isso, são móveis. Por essa razão, são chamados de elétrons livres. Os metais podem facilmente ceder ou receber elétrons livres dos átomos vizinhos e, ao fazerem isso, conduzem eletricidade. átomo Esquema (cores-fantasia) de um conjunto de cinco átomos que compõem a estrutura atômica dos metais. Os elétrons livres não ficam ligados ao núcleo de nenhum átomo, ao contrário dos elétrons mais próximos aos núcleos atômicos. Os prótons encontram-se fixos nos núcleos. Nos condutores eletrizados, o excesso de cargas localiza-se na superfície externa do corpo. Isso ocorre porque as cargas em excesso têm o mesmo sinal e portanto se repelem, ficando à maior distância possível uma das outras na superfície do condutor. Isolantes Materiais que não permitem o trânsito de partículas portadoras de cargas elétricas com facilidade são chamados de isolantes ou dielétricos. Podem ser considerados isolantes o ar, a água pura, vidro, plástico, seda, lã, enxofre, parafina, madeira e borracha. Se ligados aos terminais de uma pilha ou bateria, não possibilitam a movimentação de cargas, a não ser que estejam submetidos a uma grande intensidade de força eletromagnética. De acordo como o modelo atômico de Rutherford- -Bohr, esses materiais não apresentam elétrons livres em grande quantidade, pois a maioria deles está firmemente ligada ao núcleo atômico. Portanto, não há o transporte de carga elétrica. elétrons livres Os fios elétricos das instalações residenciais são feitos de material condutor, geralmente de cobre, envolto por um material isolante (na fotografia, com várias cores) que evita a troca de carga. Ligado ao tema A eletrização de dielétricos Mesmo não conduzindo eletricidade, alguns materiais isolantes ou dielétricos têm a propriedade de atrair ou repelir outros objetos quando eletrizados. Isso ocorre, basicamente, em três situações. 1) Quando recebem elétrons, a carga excedente recebida não se distribui e, por isso, permanece localizada dentro do isolante. Essa região com excesso de elétrons exercerá atração ou repulsão sobre os demais corpos. 2) Quando um material que é isolante perde elétrons, o excesso de prótons também fica localizado, gerando polos com sinais positivos dentro do material. Esses polos terão poder de atração ou repulsão sobre os demais corpos. 3) Quando submetidas a uma influência externa, como uma força elétrica, substâncias isolantes compostas por molé cu las polares (aquelas que apre sentam uma assimetria na distribuição de cargas, ou seja, o centro das cargas positivas não coincide com o centro de cargas negativas, figura A) podem orientar-se no interior do isolante. Elas fazem surgir, então, em uma das extre midades do corpo um excesso de carga positiva e, em outra, excesso de carga negativa, permanecendo o corpo ainda eletricamente neutro, mas exercendo poder de atração elétrica devido à grande diferença entre a concentração de cargas com sinais diferentes (figura B). A Isolante com moléculas polares sem orientação. B Isolante polarizados com moléculas orientadas. 15

7 1 Carga elétrica Exercícios resolvidos 10. Entre as torres e os fios que conduzem eletricidade existem discos de cerâmica ou de vidro, conforme se observa na fotografia a seguir. Explicar a razão do uso desses discos. A cerâmica e o vidro são isolantes à temperatura ambiente. Sua função é evitar a troca de cargas entre os fios e a torre. 11. Um tubo de determinado material isolante fica eletrizado em uma de suas extremidades. Indicar se é falsa ou verdadeira cada uma das afirmações a seguir. a) A outra extremidade deverá estar eletrizada também. b) A outra extremidade poderá ou não estar eletrizada com carga oposta, se o material for isolante. c) Se o material for condutor, ele não poderá ser eletrizado. d) Se for isolante, o material nunca será eletrizado. a) Falsa, porque, em sendo o material isolante, as partículas com cargas elétricas ficam fixas. b) Verdadeira. c) Falsa, pois qualquer material pode ser eletrizado. d) Falsa, pois qualquer material pode ser eletrizado. 12. Sabe-se que: a) água pura praticamente não conduz eletricidade; b) água com açúcar praticamente não conduz eletricidade; c) água com sal (NaCº) conduz eletricidade. Explicar as causas desses fatos. a) A água pura não conduz apreciavelmente a eletricidade porque ela não contém elétrons livres (não é sólida) e contém concentrações muito baixas de íons. b) Dissolvendo-se açúcar na água, a solução ainda não é condutora porque o açúcar não produz íons em solução, de modo que não há cargas elétricas que possam ser transportadas. c) Quando se dissolve sal de cozinha (NaCº) na água, as moléculas do sal se dissociam, originando os íons Na 1 e Cº 2. Esses íons são portadores de carga elétrica, e, por isso, a água passa a conduzir eletricidade. Exercícios propostos 13. Identifique quais dos materiais a seguir são isolantes e quais são condutores. Para isso, releia o texto sobre condutores e isolantes. a) cobre e) plástico b) borracha f) água salgada c) ar g) cerâmica d) água pura h) ouro 14. Verifique se cada uma das afirmações a seguir é falsa ou verdadeira, corrigindo no caderno as que estiverem erradas. a) Não existem corpos eletrizados nas proximidades de um corpo polarizado. b) É possível que haja metais cujos átomos estejam polarizados. c) Um corpo polarizado nunca é eletricamente neutro. d) As moléculas de um corpo polarizado apresentam uma orientação espacial. e) Um corpo carregado pode atrair ou repelir um corpo neutro. f) De acordo com o modelo atômico de Rutherford- -Bohr, a condução de eletricidade nos materiais ocorre somente devido ao fato de estes apresentarem elétrons livres em sua composição. g) Um material de borracha apresenta uma grande quantidade de elétrons livres. 15. Explique de que maneira um material isolante pode atrair ou repelir um objeto, mesmo não tendo elétrons livres em sua estrutura atômica. 16. Uma pequena esfera de isopor, coberta de papel alumínio, é suspensa por um fio de nylon. Em seguida, é atraída por um canudinho plástico negativamente carregado. Pode-se afirmar com toda a certeza que a carga elétrica da esfera é positiva? Ou ela também pode ser neutra? Justifique. 17. Explique por que a parte externa do soquete para lâmpada apresentado ao lado é feito de cerâmica, enquanto a maior parte da superfície interna é feita de metal. 18. Faça uma relação de situações de seu dia a dia nas quais se pode perceber o uso de materiais isolantes como meio de prevenção de acidentes envolvendo eletricidade. 16

8 3. Processos de eletrização Um átomo é neutro quando nele há quantidades iguais de elétrons e prótons. Se houver excesso de uma dessas partículas, o átomo está eletrizado ou carregado. Para eletrizar um corpo, é necessário que ocorra um processo de transferência de partículas com carga elementar e entre dois ou mais corpos. No cotidiano, isso é feito retirando-se ou fornecendo-se elétrons (2) ao corpo. A retirada de prótons do núcleo do átomo exige processos sofisticados e caros. Um corpo neutro pode ser eletrizado de três maneiras: por atrito, por contato e por indução. Eletrização por contato Neste processo, é necessário que um dos corpos esteja previamente eletrizado, e o outro, neutro. Então, aproximam-se os corpos fazendo com que ocorra o contato entre ambos. No instante do contato ocorre a transferência de carga. Após esse contato, os corpos ficam com cargas de mesmo tipo do corpo inicialmente eletrizado. Isto é, se o objeto previamente eletrizado tiver carga negativa, com o contato, o corpo neutro também terá carga negativa. Na eletrização por contato, os corpos adquirem cargas de mesmo sinal. A seguir são apresentadas duas situações em que se eletriza um corpo A inicialmente neutro, suspenso por uma haste feita de material isolante. 1 a situação: contato com um condutor eletrizado negativamente neutro A B antes Um corpo B, eletrizado negativamente com carga Q, é aproximado do condutor neutro A. e A B durante Ao entrar em contato com A, parte do excesso de elétrons presentes em B será transferida para A. Depois que o contato é encerrado, o condutor A, que recebeu elétrons, fica eletrizado negativamente. B continua eletrizado negativamente, ainda que com menos elétrons. 2 a situação: contato com um condutor eletrizado positivamente e A B depois neutro A B A B A B Conceito em questão Na eletrização por contato, o corpo neutro se eletriza com o mesmo sinal do corpo que o eletrizará. Se o corpo eletrizador (Q 1 ) e o eletrizado (Q 2 ) forem esféricos, de mesmo material, e os raios (R 1 e R 2 ) de suas esferas forem diferentes, a razão entre as quantidades de cargas dos corpos (Q 1 e Q 2 ) após o contato será proporcional aos seus raios, ou seja: Q 1 5 R 1 Q 2 R 2 No caso particular de as esferas serem idênticas (com o mes mo raio e o mesmo tipo de material), após o contato, os corpos terão a mesma quantidade de carga, então Q A 5 Q B. Pelo princípio da conservação das cargas: Q A 1 Q B 5 Q A 1 Q B Fazendo Q A 5 Q B obtém-se: Q A 1 Q B 5 2Q B Então Q 5 Q A 5 Q B 5 Q A 1 Q B 2 Isso significa que, se os corpos forem idênticos, sendo um deles neutro, no final cada qual terá metade da quantidade de carga total que havia antes do contato. A B antes Um corpo B, eletrizado positivamente com carga Q, é aproximado do condutor A. durante Ao entrar em contato com A, os elétrons livres deste vão ser atraídos pelos prótons de B e, no contato, acabam sendo transferidos para B. depois Depois que o contato é encerrado, o condutor A, que perdeu elétrons, fica eletrizado positivamente. B continua eletrizado positivamente, ainda que com mais elétrons. Q 2 Q 2 Imagine que haja três esferas idênticas trocando cargas; duas delas neutras e uma eletrizada com carga Q. Qual será a razão entre as cargas após o contato? 17

9 1 Carga elétrica Exercícios resolvidos 19. Duas esferas condutoras idênticas A e B, inicialmente neutras, são colocadas em contato uma de cada vez com uma esfera C, idêntica às anteriores e previamente eletrizada com carga 10 q. Determinar a carga final de A, B e C. 1 a situação: contato de Q C com Q A. Se as esferas são idênticas, então: Q A 5 Q C 5 Q A 1 Q C q 5 5 q a situação: contato de Q C com Q B. Q B 5 Q C 5 Q B 1 Q C q 5 2,5 q 2 2 Portanto, Q A 5 5 q; Q B 5 2,5 q e Q C 5 2,5 q. 20. Determinar a carga final após o contato de duas esferas condutoras A e B de raios r a 5 2 cm e r b 5 4 cm sabendo que, no início, a quantidade de carga dessas esferas era Q A 5 12 q e Q B 5 0. Quando as esferas têm raios diferentes, sabe-se que: Q 1 5 R 1. Portanto: Q A 5 2 Q 2 R 2 Q B 4 Æ Q B 5 2Q A. De acordo com o princípio da conservação das cargas: Q A 1 Q B 5 Q A 1 Q B Portanto: Q A 1 Q B 5 3Q A Æ 12 q Q A Æ Q A 5 4 q e Q B 5 8 q 21. Duas esferas metálicas idênticas, inicialmente eletrizadas com cargas Q mc e Q mc, são colocadas em contato durante certo intervalo de tempo, atingem o equilíbrio eletrostático e, depois, são separadas. Ao término do processo, têm-se os seguintes valores de cargas: Q 1 5 2,5 mc e Q 2 5 1,5 mc. Calcular a quantidade de carga perdida pela esfera 2 durante o contato. Como a esfera 2 terminou o processo com carga de 1,5 mc, pode-se deduzir que ela perdeu o que tinha de elétrons em excesso (sua carga inicial era de 21 mc), além de ter perdido mais 1,5 mc de elétrons, até ficar eletrizada positivamente. Portanto, ela perdeu 2,5 mc, que é exatamente a quantidade de carga que a esfera 1 ganhou (por isso, a carga 1 ficou com 2,5 mc no final). Exercícios propostos 22. Uma esfera A condutora, previamente eletrizada, é colocada em contato sucessivamente com três esferas B, C e D, inicialmente neutras, todas idênticas. Sabendo que a quantidade de carga da esfera A é Q A 5 12 q, determine a carga de cada esfera após o contato. 23. Três esferas condutoras idênticas estão eletrizadas, respectivamente, com Q A 5 25 q, Q B 5 7 q e Q C 5 9 q. Coloca-se inicialmente A em contato com B, depois com C e, por fim, novamente com B. a) Calcule a carga final de A. b) Se a ordem do contato fosse alterada, ou seja, se se fizesse a esfera A tocar inicialmente em C, depois em B e finalmente em C, a carga de A teria o mesmo valor no final? 24. Duas esfera condutoras de raios r A 5 6 cm e r B 5 2 cm e eletrizadas com Q A 5 5 q e Q B 5 7 q são colocadas em contato entre si. a) Determine a carga de final de A e de B. b) Calcule o número de prótons em excesso no corpo B. Admita q 5 3,2 pc. (1 pc C) 25. Considere dois condutores iguais, sendo um deles neutro, e o outro, eletrizado positivamente. Explique como ocorre o processo de transferência de elétrons quando há o contato entre os corpos. 26. Em um curso de montagem de computadores, o instrutor orienta os alunos sobre os cuidados a tomar quanto à eletricidade estática. A fotografia abaixo mostra um indivíduo manuseando um disco rígido (HD) de um computador. Justifique, usando de seus conhecimentos, por que um procedimento está correto, e o outro não está. 27. Considere os seguintes dados: massa de um elétron 5 m e 5 9,1? kg; massa de um próton 5 5 m p 5 1,7? kg. a) Caso um corpo neutro passe a ficar eletrizado negativamente, pode-se dizer que ele terá ganho de massa, perda, ou ficará com a mesma massa que tinha quando neutro? Justifique. b) Caso um corpo neutro passe a ficar eletrizado positivamente, pode-se dizer que haverá ganho, perda, ou conservação da massa inicial, quando o corpo estava neutro? Justifique. 18

10 Eletrização por atrito Ao atritar um corpo (papel, lã, algodão, etc.) em outro corpo (régua plástica, caneta, bastão de vidro, etc.) pode haver transferência de elétrons entre eles, enquanto são atritados. Após o término, um dos corpos fica com excesso de prótons por ter cedido elétrons, ficando, assim, eletrizado positivamente. O outro fica com excesso de elétrons, por ter recebido essas cargas, ficando carregado negativamente. Na eletrização por atrito, os corpos adquirem cargas de sinais opostos. Para determinar qual corpo terá carga positiva ou negativa, deve-se consultar a série tribo-elétrica (ver esquema abaixo), construída empiricamente pelos físicos. Isopor Cobre Borracha Âmbar Algodão Segundo essa série, podem-se fazer algumas afirmações. Os corpos ficam eletrizados positivamente quando são atritados em corpos feitos de materiais que estiverem à esquerda deles, na série. Os corpos ficam eletrizados negativamente quando são atritados nos corpos feitos de materiais que estiverem à direita deles, na série. Assim, se um material inicialmente neutro, composto de algodão, for atritado no vidro, também inicialmente neutro, ficará carregado negativamente, enquanto o vidro ficará carregado positivamente. De acordo com o modelo atômico de Rutherford-Bohr, a eletrização por atrito ocorre porque os elétrons dos materiais que estão mais fracamente ligados aos núcleos serão transferidos para o outro material. Se um material de cobre for atritado com um pedaço de papel, os núcleos dos átomos de cobre vão se aproximar muito dos elétrons do papel. Essa aproximação fará com que os elétrons do papel sejam atraídos para o cobre. Ainda no que se refere à eletrização por atrito, é importante considerar os seguintes fatos. Nem sempre é possível eletrizar dois corpos por atrito. Ao se atritarem, por exemplo, corpos de mesmo material, não irá ocorrer transferência de elétrons entre eles. Na eletrização por atrito de objetos isolantes, o excesso de cargas permanece localizado na região do corpo onde ocorre o atrito. Isso ocorre porque não há elétrons livres em sua composição atômica. Ao eletrizar condutores por atrito, as cargas se distribuem por toda a sua superfície. Isso ocorre porque as cargas elétricas repelem-se entre si e, por isso, ficam o mais distante possível umas das outras. Se for desejável manter um objeto eletrizado, será necessário prendê-lo com um material isolante. Caso contrário, todas as cargas serão transferidas para o material que prende o objeto eletrizado, de maneira que haverá uma rápida neutralização. Ademais, se o material que prende o objeto for um condutor e estiver em contato com a terra por meio de um fio ou de uma pessoa que o segura, haverá um rápido escoamento das cargas para a terra. Esse cuidado deve ser tomado para todos os objetos eletrizados, ou por atrito, ou por qualquer outro processo. Papel Lã Nylon Vidro Pele humana Ligado ao tema Eletrização por atrito na indústria Nas tecelagens, o movimento dos tecidos nas máquinas ocasiona um atrito entre as partes do tecido e dos cilindros metálicos, de maneira que ambos ficam eletrizados. Essa eletrização é perigosa, pois o descarregamento das peças eletrizadas pode gerar faíscas e ocasionar incêndios. Para evitar o risco de acidentes, são instalados nebulizadores, aparelhos que aumentam a umidade do ambiente, lançando pequenas gotas de água no ar. Essas gotículas, quando em contato com as peças eletrizadas, neutralizam os corpos que tenham cargas em excesso. 19

11 1 Carga elétrica Exercícios resolvidos 28. Um borrifador (esquema ao lado) é usado para pulverizar óleo dentro de um recipiente eletricamente isolado. Antes de serem lançadas no interior do recipiente, as gotas passam por um duto que faz parte B A do borrifador e entram em atrito com as pare- des desse duto. Com isso, ficam eletrizadas com carga positiva. a) Identificar o sinal das cargas das paredes do borrifador após o atrito. Justificar. b) Sabendo que, no interior do recipiente, existem dois corpos A e B previamente eletrizados com cargas opostas e que, durante a queda, as gotas são atraídas para o corpo A e repelidas pelo corpo B, determinar o tipo de carga do corpo B. c) Sabendo que uma das gotas apresentou carga igual a 6,4? C, determinar o número de elétrons transferidos por essa gota para as paredes do borrifador durante o atrito. a) No final do processo de eletrização por atrito, os corpos atritados apresentam cargas de sinais opostos. Portanto, as paredes do borrifador ficaram eletrizadas com carga negativa. b) Como as gotas de óleo são repelidas pelo corpo B, e cargas iguais se repelem, então o corpo B tem carga de mesmo sinal que a das das gotas, ou seja, tem cargas de sinal positivo. c) Dados: Q 5 6,4? C e e 5 1,6? C. Q 5 n? e Æ n 5 Q e Æ n 5 6,4? Æ 1,6? Æ n 5 4 elétrons 29. No período do inverno, quando a umidade do ar diminui em algumas regiões do país, podem-se ouvir alguns estalos quando uma pessoa vestida com um casaco de lã resolve tirá-lo. Explicar esse fenômeno. O casaco de lã entra em contato com a pele da pessoa e, por isso, fica eletrizado. Pode haver, então, transferência de cargas elétricas entre o casaco e a pele da pessoa. Essa troca é percebida pelos estalos. Em climas úmidos, o vapor de água presente no ar neutraliza o excesso de cargas elétricas do casaco de lã antes que a pessoa o tire. Exercícios propostos 30. É possível a uma pessoa manter eletrizada uma barra de metal depois de atritada, segurando-a diretamente com as mãos e estando com os pés diretamente em contato com o solo? Em caso negativo, apresente uma sugestão para que a eletrização se mantenha por mais tempo. 31. Em tempos secos, ocorrem mais frequentemente acúmulos de cargas elétricas, ou seja, os objetos ficam eletrizados por mais tempo. Como consequên cia, nessa época é mais comum ocorrerem pequenos choques elétricos quando se abre a porta de um carro, ou si tuações em que os cabelos de uma pessoa arrepiam- -se quando próximos de determinados objetos. a) Descreva como se dá o acúmulo de cargas nos carros. b) Andar descalço favorece a descarga de cargas elétricas acumuladas. Explique: o que significa essa descarga; por que andar descalço favorece a descarga elétrica. 32. Atrita-se uma borracha escolar em um pedaço de papel. A borracha fica eletrizada negativamente e é aproximada de um papel-alumínio eletricamente neutro, muito leve e suspenso por uma haste isolante. Inicialmente, a borracha atrai o papel-alumí- nio, até que ambos entram em contato. Depois do contato, passam a repelir-se mutuamente. a) Identifique o sinal das cargas elétricas presentes na borracha e no papel em que foi atritada depois da eletrização. b) Explique por que a borracha e o papel-alumínio passam a repelir-se após a eletrização por contato. c) Faça um esquema mostrando os sinais das cargas antes, durante e depois da eletrização por contato. Nesse esquema, não se esqueça de representar em que sentido ocorre a transferência de elétrons: da borracha para o alumínio ou do alumínio para a borracha. 33. Dois objetos compostos unicamente por plástico são atritados entre si. Após o atrito, eles ficarão eletrizados? Justifique. 34. Responda se cada uma das afirmações a seguir é falsa ou verdadeira e justifique sua resposta. a) Na eletrização por atrito entre dois corpos neutros, a carga final apresentará sinais opostos para cada um deles. b) Na eletrização por atrito, desorganiza-se a estrutura atômica dos materiais, podendo ocorrer transferência de prótons entre eles. 20

12 Eletrização por indução O que é indução eletrostática É possível haver eletrização de um corpo neutro sem que ocorra atrito ou contato. Quando há a aproximação de um condutor eletrizado próximo de um neutro, ocorre uma separação de cargas no corpo neutro. A separação de cargas em um condutor devido à aproximação de um corpo eletrizado é denominada indução eletrostática. Durante uma indução eletrostática, há o indutor (que pode ser um condutor previamente eletrizado) e o induzido, condutor no qual haverá a separação de cargas. Aproximando os condutores sem que haja contato, ocorre um movimento de cargas dentro do induzido. elétrons indutor induzido Se o indutor estiver carregado com carga negativa, haverá repulsão nos elétrons livres do induzido, de modo que estes se deslocarão para a região mais afastada, deixando a região mais próxima do indutor com carga positiva. indutor elétrons induzido Se o indutor estiver carregado com carga positiva, irá atrair os elétrons livres do induzido, provocando nele a separação de cargas. No lado oposto, ficará concentrada uma quantidade maior de cargas positivas. Como ocorre a eletrização por indução A seguir são apresentadas duas situações com indução eletrostática em que é colocado um fio no condutor, ligando-o ao solo. Ocorrerá, então, um aterramento. A B Nesta situação, aproxima-se um indutor eletrizado negativamente (esfera A), provocando uma separação de cargas no corpo neutro (esfera B), que será o induzido. A B fluxo de elétrons solo Ligando-se o induzido ao solo, alguns de seus elétrons serão repelidos pelas cargas negativas do indutor e descerão para a terra pelo fio. B Após a retirada do fio, o induzido fica eletrizado positivamente, porque perdeu elétrons. A B Nesta situação, aproxima-se um indutor (esfera A) eletrizado positivamente, provocando uma separação de cargas no corpo neutro (esfera B), que será o induzido. A B fluxo de elétrons solo Na região do induzido oposta à do indutor, ficarão os prótons. Estes, então, atrairão os elétrons da terra, que subirão pelo fio. B Ao retirar o fio, o induzido ficará eletrizado negativamente, porque recebeu elétrons. Por meio dos exemplos, pode-se concluir que, no final de uma eletrização por indução, os corpos envolvidos adquirem cargas de sinais opostos. Ligado ao tema Detectores eletrostáticos São aparelhos usados para detectar se um corpo está eletrizado ou não. O eletroscópio de folhas (fotografia ao lado) é um deles. É constituído por duas lâminas metálicas delgadas que, por meio de uma haste metálica, se ligam a uma esfera condutora. Ao aproximar um objeto eletrizado da esfera do eletroscópio, suas lâminas metálicas afastam-se uma da outra. Isso ocorre porque a presença do corpo eletrizado próximo da esfera metálica induz uma movimentação de cargas no eletroscópio, fazendo aumentar a quantidade de cargas de mesmo sinal nas lâminas. Com isso, surge uma força de repulsão que faz com que estas se afastem. C isolante metal Representação esquemática da movimentação de cargas elétricas em um eletroscópio de folhas. Se o eletroscópio estiver com as lâminas totalmente fechadas, o corpo que se aproxima do aparelho estará neutro. Se suas lâminas permanecerem afastadas uma da outra sem a presença de um corpo eletrizado nas proximidades, o eletroscópio estará eletrizado. 21

13 1 Carga elétrica Exercício resolvido 35. Dispõe-se de dois eletroscópios de folhas. No primeiro, chamado de eletroscópio A, suas folhas se fecham ligeiramente quando se aproxima dele um indutor de carga positiva. No segundo eletroscópio, chamado de B, as folhas se abrem à medida que o indutor carregado positivamente se aproxima dele. Explicar o comportamento de cada eletroscópio por meio do modelo atômico de Rutherford-Bohr. eletroscópio A eletroscópio B O sinal da carga do indutor (bastão de vidro) é o que determina o sentido do fluxo de elétrons. Como a carga do indutor é positiva, os elétrons são atraídos da terra para a esfera. 37. Três esferas condutoras metálicas não eletrizadas A, B e C são colocadas em contato entre si, conforme a figura abaixo. Aproxima-se um quarto condutor, eletrizado negativamente, inicialmente pela esquerda e, a seguir, pela direita. A B C O que faz as folhas de um eletroscópio permanecerem abertas, repelindo-se, é o excesso de carga de mesmo sinal em cada uma das folhas. Quando um indutor se aproxima do induzido (eletroscópio), as cargas do induzido, de mesmo sinal do indutor, são repelidas e, por isso, afastam-se o máximo possível e se alocam nas extremidades das folhas. Como as folhas têm o mesmo sinal, elas se afastam uma da outra. As folhas de A fecham-se um pouco depois da aproximação do indutor porque o eletroscópio deve estar eletrizado negativamente. A aproximação do indutor com cargas positivas atraiu parte das cargas elétricas negativas que estavam nas folhas do eletroscópio. Com isso, diminuiu-se a força de repulsão entre elas. As folhas de B se afastam mais depois da aproximação do indutor, carregado positivamente, porque este atrai as cargas negativas do eletroscópio. Com isso, aumentará o excesso de cargas positivas nas folhas e, assim, haverá um aumento da força de repulsão entre elas. 36. Aproxima-se de uma esfera condutora neutra um bastão de vidro positivamente eletrizado. Depois, liga-se um cabo condutor da terra à esfera. Explicar o sentido do fluxo de elétrons. Representar a distribuição de cargas nas esferas ao aproximar o indutor nos dois casos. Ao aproximar o indutor eletrizado negativamente pela esquerda, a esfera A, mais próxima do condutor eletrizado, passará a ter carga positiva, pois suas cargas negativas são repelidas. A esfera C passará a ter carga negativa, pois é a esfera que se encontra mais afastada do condutor eletrizado. A esfera B estará neutra, pois está entre A e C, e as suas cargas serão igualmente atraídas e repelidas, conforme o esquema mostrado a seguir. A B C Ao aproximar o indutor eletrizado negativamente pela direita, a esfera A, mais distante do condutor eletrizado, passará a ter carga negativa, pois suas cargas positivas são atraídas pelo indutor. A esfera C passará a ter carga positiva, pois é a esfera que se encontra mais próxima do condutor eletrizado. A esfera B estará neutra, pois está entre A e C, e as suas cargas serão igualmente atraídas e repelidas, conforme o esquema mostrado a seguir. A B C Exercícios propostos 38. Aproxima-se de um eletroscópio uma esfera eletrizada positivamente. A seguir, aterra-se o eletroscópio, cessa-se o aterramento e afasta-se a esfera. Desenhe um esquema que represente como ficarão as folhas no final do processo e a distribuição de cargas. 39. Atrite um pente no cabelo. Abra uma torneira deixando sair um filete de água. Aproxime o pente do filete. Descreva o que você observa e proponha uma explicação para o fenômeno observado. 22

14 Raios, relâmpagos e trovões As nuvens de chuva, em geral, estão eletrizadas. A eletrização das nuvens ocorre, basicamente, por duas razões: devido às colisões das partículas de gelo acumuladas em seu interior, ou pela diferença de condutividade elétrica do gelo ocasionada pela variação de temperatura no interior da nuvem. Em qualquer desses processos, as partículas de gelo perdem elétrons e se transformam em íons. Isso torna a nuvem eletricamente carregada. A eletrização das nuvens de chuva torna possível a ocorrência de descargas elétricas entre duas nuvens eletrizadas ou entre as nuvens e a terra. Essas descargas elétricas entre nuvens carregadas ou entre as nuvens e a terra são chamadas de raios. Os raios costumam ocorrer acompanhados de relâmpagos, que são emissões de luz visível devido à ionização das moléculas do ar que estão entre a superfície e a nuvem no momento da descarga elétrica. O relâmpago torna visível a descarga elétrica, cuja trajetória irregular é ramificada, e com altura, muitas vezes, de muitos quilômetros de distância até a terra. Além dos relâmpagos, os trovões ocorrem juntamente com os raios. Trovões são ondas sonoras de grande intensidade provocadas por um aumento de pressão das moléculas do ar. Esse aumento de pressão se deve à rápida expansão dos gases presentes no ar, causada pelo grande aquecimento ocasionado por uma descarga elétrica. A seguir são apresentadas duas situações em que ocorrem raios. Nuvem carregada positivamente: descarga elétrica do solo para a nuvem Nuvem carregada negativamente: descarga elétrica da nuvem para o solo sentido do movimento dos elétrons Conceito em questão sentido do movimento dos elétrons Fotografia de um raio atingindo o para-raios do Congresso Nacional, em Brasília (DF). Caso a nuvem esteja carregada positivamente, os elétrons da superfície serão atraídos pelas cargas positivas da nuvem e subirão em direção ao pararaios, onde se concentrarão fortemente. A grande concentração de cargas elétricas positivas na nuvem e negativas no pararaios fará com que o ar entre o para-raios e a nuvem se torne um condutor. Então, uma descarga elétrica pode saltar do pararaios para a nuvem. Ocorre, assim, um raio da superfície para a nuvem. Caso a nuvem esteja carregada negativamente, os elétrons da nuvem repelirão as cargas elétricas negativas do para-raios, e isso faz com que os elétrons se desloquem para a superfície, causando uma grande concentração de cargas positivas no para-raios. A grande concentração de cargas elétricas negativas na nuvem e positivas no para-raios fará com que o ar entre o para-raios e a nuvem se torne um condutor. Então, uma descarga elétrica pode saltar da nuvem para a terra. Assim, ocorre um raio da nuvem para a superfície. Estas descargas elétricas são favorecidas quando as nuvens estão próximas a superfícies pontiagudas ou quando se está em lugares mais altos, próximos a nuvens. A explicação para a maior incidência de raios em superfícies pontiagudas deve-se ao chamado poder das pontas, fenômeno no qual se percebe maior acúmulo de cargas elétricas nas extremidades pontiagudas dos objetos. Na instalação e fabricação dos para-raios, utilizam-se dois conhecimentos acerca dos raios: o fato de que objetos pontiagudos os atraem (poder das pontas) e o fato de lugares mais altos facilitarem a descarga elétrica. Assim, ao serem colocados no alto dos prédios, os para-raios atraem os raios e os conduzem para a terra, evitando que atinjam seres vivos e instalações. Dê exemplos de outras situa ções do cotidiano em que se empregam conhecimentos sobre raios. 23 4P_EMF3_LA_U01_C01_008A033.indd :14:45

15 1 Carga elétrica Exercícios resolvidos 40. É dada a fotografia a seguir. Estabelecer uma relação entre o local em que os animais foram mortos e o risco de ocorrer descargas elétricas. Doze reses mortas por um único raio, em uma descarga elétrica ocorrida em 2004, no município de Miracema do Tocantins, TO. Em locais abertos como pastagens, as árvores costumam ser os pontos mais elevados, ou seja, mais próximos da nuvem eletrizada. Essa característica faz com que a região em seu entorno seja a de maior probabilidade de ocorrência de raio, pois a árvore será um condutor, que aproximará as cargas entre o solo e a nuvem. As reses estavam próximas à arvore e foram atingidas pela descarga elétrica porque esta se distribui radialmente pelo solo, causando riscos aos seres vivos que estiverem ao redor do objeto condutor. 41. Considerar o processo de funcionamento do para-raios para responder às questões a seguir. a) Explicar por que apresentam extremidades pontiagudas. b) Descrever como são conduzidas as cargas elétricas entre a terra e a extremidade superior do para-raios. c) Explicar por que o cabo condutor que liga a extremidade superior do para-raios à terra deve ser preso a uma estrutura da construção por meio de materiais isolantes. a) A extremidade pontiaguda do para-raios tem a finalidade de aumentar a concentração de cargas (poder das pontas) e, ao fazer isso, ioniza o ar que está ao seu redor, favorecendo a ocorrência de raios nesse local. b) Quando ocorre um raio, as cargas são conduzidas da extremidade pontiaguda, através de um cabo condutor, até uma haste de cobre enterrada no chão. Haverá, então, transferência de elétrons das cargas para o solo. c) O cabo condutor deve ser preso à estrutura da construção por meio de isolantes para evitar a troca de cargas. 42. A área de proteção coberta por determinado para-raios corresponde 60 ao volume de um cone, h sendo que a ponta fica no vértice deste e o ângulo formado entre a ge- r 1,7h ratriz e o eixo vertical do cone é de 60, ou seja, o raio de proteção é equivalente a 1,7 vez a altura da haste. Tudo que estiver dentro do espaço abrangido por esse cone estará, teoricamente, protegido. Determinar a área da superfície do solo protegida por um para-raios, cuja ponta esteja localizada a uma altura de 10 m em relação ao solo. A superfície coberta pelo para-raios é a própria área da base do cone, que é uma circunferência cujo raio é 1,7 h. Calculando o raio e a área, obtém-se: r 5 1,7? 10 Æ r 5 17 m A 5 p? r 2 Æ 3, 14? (17) 2 Æ A 5 907,46 m 2 Exercício proposto 43. Para evitar acidentes com raios durante as tempestades são feitas as recomendações apresentadas a seguir. I. Procurar abrigo em prédios equipados com para-raios, ou em áreas subterrâneas, como metrô e túneis. II. Não empinar pipas. III. Evitar topos de morros e áreas abertas, como campos de futebol e de golfe e praias. IV. Não se aproximar de cercas de arame, varais metálicos ou trilhos, assim como de estruturas altas, como torres de linha telefônica. V. Não estacionar perto de árvores, que atraem os raios. Também evitar a proximidade com linhas de transmissão de energia elétrica. Indique no caderno a alternativa falsa e justifique sua escolha. a) Em campos de futebol, as descargas elétricas têm maior possibilidade de atingir pessoas, por serem elas os pontos mais altos do lugar e, consequentemente, atuarem como para-raios. b) As cercas de arame são condutoras, por isso conduzem as cargas elétricas a uma pequena distância, apresentando risco moderado. c) As pipas permitem a troca de cargas com a terra quando se aproxima a chuva. d) Os para-raios são feitos com material isolante, portanto, não permitem a troca de cargas com as construções. 24

16 4. Mais partículas elementares Os filósofos gregos diziam que o átomo era a unidade indivisível da matéria. O modelo de Rutherford-Bohr afirmou que o átomo é composto por estruturas ainda menores as partículas elementares. O quadro a seguir apresenta algumas propriedades das partículas elementares propostas. Partícula Símbolo Carga Massa elétron e 2 21,6? C 9,1094? kg próton p 1 11,6? C 1,6726? kg nêutron n zero 1,6749? kg fóton* g zero zero *Fótons são pacotes minúsculos de energia sem massa, estudados no volume 2 desta coleção. Observação: Novos experimentos levaram os físicos a concluir que havia outras partículas além dessas previstas pelo modelo atômico de Rutherford- -Bohr. Hoje se sabe que há mais de duzentas dessas partículas. A razão para que se tenha demorado tanto a descobri-las se deve ao fato de elas terem um tempo de vida muito curto. A maioria se desintegra rapidamente e se transforma em partículas mais estáveis, como prótons, elétrons e nêutrons. Cada uma dessas partículas tem carga nula ou cargas múltiplas da carga elementar (e). Durante a transformação de uma partícula em outra, o princípio da conservação da carga continua válido. A seguir é apresentada uma situação em que se pode perceber a transformação de uma partícula em outra e o quanto é rápida a duração de vida de algumas partículas. Tem-se um fóton (carga nula) que, ao interagir proximamente com o núcleo do átomo transforma-se em duas partículas: um elétron de carga negativa (e 2 ) e um pósitron de carga positiva (e 1 ), com a mesma massa de um elétron. A quantidade total de carga permanece nula antes e depois da transformação (já que e 2 1 e 1 5 0). (antes) Esquema ilustrando um fóton sendo transformado em duas novas partículas: um pósitron e um elétron. Além da conservação da carga (já mencionada), pode-se observar a transformação de energia em massa (objeto de estudo mais adiante). Pósitrons têm vida curta, pois, assim que um deles encontra e colide com um elétron, ambos se fundem, transformando-se em um novo fóton, com carga nula. Quarks Em 1964, diante da profusão de descobertas de novas partículas elementares, foi proposto pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig que muitas dessas partículas elementares poderiam ser constituídas por partículas ainda menores chamadas de quarks. É o caso das partículas mais pesadas, chamadas de hádrons, como prótons e nêutrons. Além dos quarks há os léptons, nome dado às partículas leves como elétrons, pósitrons, neutrinos, etc., que podem realmente ser consideradas partículas elementares. Sabe-se que há seis tipos de quark (tabela ao lado). Cada quark apresenta carga elétrica que é uma fração da carga elementar. É pela combinação dos diversos tipos de quark que são formadas todos os hádrons. O próton, por exemplo, é formado por três quarks, o que faz com que a sua carga total seja igual a 11e. e e (depois) e e e e 5 11e 3 Ligado ao tema Thomson e a descoberta do elétron O físico inglês Joseph John Thomson, trabalhando com raios catódicos (raios que continham cargas elétricas), notou que estes eram desviados quando submetidos à eletricidade. Esses raios eram emitidos em um tubo em cujo interior se produziu um vácuo e se colocaram dois eletrodos. Em um deles, chamado cátodo, ocorria a emissão de elétrons, que eram acelerados até alcançar o outro eletrodo (o ânodo). Ao longo da trajetória dessas cargas elétricas entre os eletrodos, havia placas defletoras que poderiam desviá-las. Thomson percebeu que os desvios dependiam de três coisas: da massa da velocidade e das cargas das partículas. Ao estudar essas variá veis, concluiu que os raios catódicos eram, de fato, formados por partículas muito menores e mais leves do que os átomos e com carga negativa. A essas partículas chamou de elétrons. Com esse experimento, Thomson determinou a relação carga/massa do elétron, trabalho que lhe rendeu o prêmio Nobel de Física em Quarks Nome Símbolo Carga up u 2 3 down d charm c 2 3 strange s top t 2 3 bottom b Tabela com os seis tipos de quark. 25

17 1 Carga elétrica Exercícios resolvidos 44. Para um corpo tornar-se eletrizado é necessário haver a transferência de elétrons entre corpos. Explicar por que a eletrização dos corpos não ocorre pela transferência de prótons. A energia envolvida no processo de retirada de prótons do núcleo atômico é muito grande, o que torna esse processo inviável no cotidiano. O número atômico, ou seja, número de prótons, é o que caracteriza a substância. Alterando-se o número de prótons, altera-se a substância. Retirando-se três prótons do núcleo do chumbo, este se transforma em ouro. Esse processo se chama transmutação. Como a matéria não sofre transmutação na troca de cargas, conclui-se que as partículas que são transferidas entre os corpos são elétrons. 45. Uma balança de grande resolução consegue registrar a variação de massa em gramas de até 1 unidade na quinta casa após a vírgula. Uma substância neutra, ao ser eletrizada, transferiu cargas de maneira que a balança indicou a menor variação de massa possível. Determinar o número mínimo de elétrons transferidos. Dado: massa do elétron 9,1? kg 5 9,1? g. A menor quantidade de carga que a balança pode registrar é g. O número mínimo necessário de elétrons para essa variação de massa é: n o elétrons 5 Dmassa mín massa Æ n o elétrons 5 elétron Æ n 9,1? o elétrons 5 1,1? O esquema a seguir mostra um tipo de transformação que ocorre com um nêutron. Essa transformação pode ser representada pela ex pressão n é p 1 1 e 2 1 _, em que _ representa uma partícula chamada de antineutrino. Sabendo-se que a carga elétrica é conservada, determinar qual deve ser a carga do antineutrino. nêutron próton elétron e n p ô antineutrino Como o nêutron tem carga nula, então, após a sua transformação, a carga total também deve ser nula. Assim, tem-se: 0 5 1e 1 (2e) 1 _ y Æ _ y Æ _ y 5 0 Logo, o antineutrino tem carga nula. 47. Um nêutron é formado por um quark u e dois quarks d. Demonstrar que é por essa razão que sua carga é nula. Consultando a tabela da página anterior, tem-se: u e d Portanto, a carga do nêutron é dada por: n 5 u 1 d 1 d n ( ) 1 ( ) Æ n 5 0 Exercícios propostos 48. Pode-se dizer que prótons, elétrons e nêutrons são as únicas partículas existentes no mundo atômico? Justifique. 49. Verifique se as afirmativas são falas ou verdadeiras e justifique as suas respostas. a) Os elétrons podem ser considerados partículas elementares. b) Os prótons e os nêutrons não são partículas elementares, pois são constituídos por partículas menores ainda. c) O nêutron é uma partícula composta por dois quarks up e um quark down, por isso apresenta carga neutra. d) Os quarks são partículas elementares que apresentam carga positiva fracionária. e) Os elétrons são partículas elementares que apresentam carga fracionária. 50. Explique se é possível haver um íon positivo com o mesmo número atômico de um átomo neutro. 51. A mesma interação que ocorre entre o núcleo e os elétrons mantém unidos os átomos que formam as moléculas de um corpo. Discuta com seu colega quais seriam as consequências se fosse possível desfazer essa interação. 52. Determine a carga de cada uma das seguintes partículas elementares, sabendo que a barra sobre os símbolos denota um antiquark, cuja carga tem o sinal oposto ao da carga do quark original. a) lambda 5 u 1 d 1 s b) antipróton 5 u 1 u 1 d c) antinêutron 5 u 1 u 1 d d) sigma zero 5 u 1 d 1 s e) lambda c-mais 5 u 1 d 1 c 26

18 Exercícios complementares Carga elétrica 53. Relacione as principais características de uma carga elétrica. 54. Dois corpos metálicos A e B, neutros e confinados em um sistema eletricamente isolado, trocam cargas entre si. Do corpo A foram retirados 20? elétrons, transferidos para o corpo B. a) Determine a quantidade de carga do corpo B. b) Após a transferência de elétrons entre esses corpos, explique se haverá atração ou repulsão entre eles. Justifique. 55. Um corpo metálico apresenta quantidade de carga de 5 mc. Após trocar cargas, ficou com 21,4 mc. Calcule quantos elétrons ele ganhou. Isolantes e condutores 56. Um objeto eletrizado precisa ser deslocado de sua posição sem que seja descarregado. Para que uma pessoa possa fazer isso, são apresentadas três sugestões a seguir. Pegar o objeto diretamente com as mãos. Usar um pegador de metal. Usar um pegador de plástico. Compare as três sugestões, escolha a mais adequada e justifique sua escolha. 57. Os metais são bons condutores de eletricidade. Sabe-se que a prata conduz a eletricidade de maneira mais eficiente que o cobre. Formule hipóteses para explicar por que não se usam fios de prata nas redes elétricas. Eletrização por atrito 58. Atrita-se uma bexiga em um pedaço de tecido. Ao aproximar outra bexiga neutra dessa primeira bexiga, ocorre atração entre ambas. Explique por que essas bexigas se atraem. 59. Quando se atrita um bastão de vidro em um pedaço de lã, quem perde e quem ganha elétrons? Justifique. Eletrização por contato 60. Uma esfera metálica eletrizada A com carga 6 mc é colocada em contato com uma esfera B idêntica. Corrija em seu caderno a afirmativa errada. a) Após o contato, as duas esferas terão a mesma quantidade de carga. b) No final, as cargas das esferas serão de mesmo sinal. c) A soma das quantidades de cargas das esferas A e B no final será igual à quantidade de carga do corpo A antes do contato se o sistema for isolado. d) Durante o contato, o corpo A transfere elétrons para o corpo B. Eletrização por indução 61. Aproxima-se um bastão previamente eletrizado com carga positiva de três esferas metálicas idênticas, inicialmente neutras. a) Represente, nas figuras I e II, conforme indicado, a distribuição de cargas nas três esferas quando a aproximação do bastão eletrizado for ao longo da linha, pela esquerda (I), e, pela direita (II). I A B C A b) Caso as três esferas sejam afastadas do bastão, qual será a carga de cada esfera? 62. Um detector eletrostático mais simples do que o eletroscópio é o pêndulo eletrostático (esquema abaixo). Consiste em uma pequena esfera leve, suspensa por um fio isolante, ambos presos a uma haste fixada a um suporte. haste suporte esfera de metal fio de seda (isolante) II B corpo eletrizado Se a esfera do pêndulo estiver neutra, será atraída ao aproximar um corpo eletrizado (na figura, esse corpo é um bastão). A presença do corpo eletrizado polariza eletricamente a esfera por indução, surgindo uma força de atração entre as cargas opostas que estão mais próximas. Descreva todas as situações que podem ocorrer com a esfera do pêndulo se ela já estiver eletrizada e dela for aproximada um corpo igualmente eletrizado, conforme o esquema acima. Partículas elementares 63. Faça uma relação das principais características de um quark. 64. Determinar a carga dos seguintes hádrons: a) csi-menos 5 d 1 s 1 s b) anticsi-zero 5 u 1 _ s 1 _ s C 27

19 1 Carga elétrica Integre o aprendizado 65. Três esferas metálicas A, B e C, idênticas, são colocadas em contato na sequência apresentada nas figuras a seguir. 69. Leitura e interpretação. Leia a tirinha a seguir e depois responda. 1 o contato 2 o contato A B A C Determine a quantidade de carga da esfera C após o contato final, sabendo que, antes do contato, a quantidade de carga de A era 20 mc e que as esferas B e C estavam neutras. 66. Escreva em seu caderno a alternativa falsa. Na eletrização por indução: a) o induzido deve ser um condutor. b) o indutor deve ser previamente eletrizado. c) se o induzido sofrer indução eletrostática, ele permanece neutro. d) após o aterramento, o indutor e o induzido terão cargas de mesmo sinal. 67. Um grupo de alunos faz um experimento utilizando fitas adesivas. Para isso, realizam-se os seguintes procedimentos. Cortam-se dois pedaços de fita adesiva de 20 cm. Cola-se um deles em uma mesa lisa e passa-se a chamar esse papel de I (inferior). Sobre a fita inferior, cola-se o outro pedaço, chamado de S (superior). Separam-se rapidamente as fitas I e S. Observam-se, então, os acontecimentos a seguir. I. Há atração quando se aproxima um objeto neutro de cada fita separadamente. II. Os dois pedaços de fita adesiva passam a atrair- -se logo após terem sido separados. III. Não ocorre mais atração entre as fitas após atrair-se alunos ter passado o dedo ao longo delas. Utilize o modelo atômico de Rutherford-Bohr para explicar cada um desses acontecimentos. 68. Compare os processos de eletrização e, em seu caderno, complete a tabela a seguir. Para se referir às cargas dos corpos, use as expressões carga positiva ou carga negativa. Para referir-se ao resultado obtido na interação final, use as palavras atração ou repulsão. Processo Atrito Carga antes Corpo 1 neutro Corpo 2 Carga depois Corpo 1 Corpo 2 Interação final Contato neutro repulsão Indução neutro a) Se Garfield, ao sair do carpete, colocasse suas patas em um piso de terra, ele conseguiria dar os choques como na história acima? b) Seria possível trocar cargas entre Garfield e os outros personagens sem que houvesse contato entre eles? c) Se as unhas do Garfield ficassem eletrizadas com carga positiva, qual seria o sinal da carga em excesso no carpete? 70. Leitura e interpretação. Leia a seguinte tirinha. A tirinha faz menção a um acontecimento histórico importante na Física. a) Identifique esse acontecimento. b) Descreva como e quando isso ocorreu. 71. Ainda em relação à tirinha anterior, responda se cada afirmação a seguir é falsa ou verdadeira. a) Apesar de a distância ser menor entre a pipa e a nuvem, não existe risco algum para Benjamin Franklin, pois a linha é feita de material isolante. b) Se a base da nuvem estiver eletrizada com carga negativa, haverá uma indução eletrostática na pipa, que ficará eletrizada positivamente. c) Como a linha e a pipa são materiais isolantes, não ocorre nelas uma indução eletrostática. Ocorre, apenas, polarização. d) As cargas da chave serão polarizadas, pois ela é de metal. 28

20 72. Uma esfera de isopor presa por um fio isolante encontra-se eletrizada com carga negativa. Um bastão de cobre, ao ser aproximado da esfera, faz com que ela mude de posição, adquirindo a configuração apresentada na figura a seguir. a) Consulte a série tribo-elétrica na página 19 e responda se o bastão de cobre foi eletrizado com um material à sua esquerda ou à sua direita na série. b) Se a quantidade de cargas da esfera for 8? C, calcule o número de elétrons em excesso no bastão, supondo que tenha o dobro da quantidade de cargas da esfera. 73. Duas esferas metálicas A e B são colocadas em contato. A esfera A, antes do contato, apresenta uma quantidade de carga igual a 15 mc, enquanto a esfera B se apresenta neutra. a) Sabendo que a razão entre os raios ( r A rb ) é igual a 2, determine a carga da esfera B no final do contato. b) Calcule a quantidade de elétrons que serão transferidos para o corpo B. c) Calcule quantos elétrons serão transferidos para o corpo A. d) Considerando o sistema eletricamente isolado, determine qual será a carga total do sistema após o contato. e) Responda se, aterrando-se a esfera B, haverá um fluxo do solo para a esfera ou no sentido contrário. Justifique sua resposta e faça um desenho indicando o sentido do fluxo. 74. Investigação e pesquisa. Máquinas eletrostáticas são equipamentos usados em aulas de Física para produzir eletricidade estática de maneira segura. Uma dessas máquinas é o gerador de Van de Graaff (ver esquema depois da fotografia a seguir). Pesquise e explique o seu funcionamento. Esquema com os principais componentes de um gerador de Van de Graaff. Desenvolver com ciência Filtro eletrostático utilizado em indústrias. 75. Na fumaça eliminada pelas indústrias, há diversas partículas poluentes. Essas partículas podem ser eliminadas pelos chamados filtros eletrostáticos. No processo executado por esses filtros, a fumaça é direcionada para uma tubulação e passa por um estágio de ionização, em que as partículas poluentes tornam-se eletrizadas. A seguir, a fumaça é conduzida para coletores de placas paralelas eletrizadas. Nesses coletores, as partículas poluidoras são atraídas e, por isso, acabam por se precipitar. fumaça cúpula alumínio PVC fio de cobre motor tubo de plástico ionização fio terra coletor ar limpo calota superior pente superior calota inferior eixo rolete superior correia feltro rolete inferior eixo pente inferior placa de alumínio coletor Esquema com as principais etapas de funcionamento de um filtro eletrostático. Ao entrar em contato com um gerador de Van de Graaff, os cabelos da pessoa ficam eriçados. a) Explique o que é necessário para que um íon positivo se precipite em uma placa coletora. b) Pesquise o que é feito com o material precipitado no coletor. c) Indique outras tecnologias resultantes do estudo da eletrostática e que melhoraram a vida das pessoas. 29

21 Física tem história O incrível mundo da Física moderna Alguns dias depois, enquanto acabava de jantar, o senhor Tompkins lembrou-se de que à noite o professor faria uma preleção a respeito da estrutura do átomo, à qual prometera comparecer. [ ] Senhoras e senhores, começou o professor, olhando para todos gravemente por cima dos óculos, em minha última preleção prometi dar maiores detalhes a respeito da estrutura interna do átomo, e explicar como as características peculiares dessa estrutura justificam as propriedades físicas e químicas que possui. Sabem, naturalmente, que não se consideram mais os átomos como partes elementares indivisíveis constituintes da matéria, tendo passado esse papel agora a partículas muito menores, como elétrons, prótons, etc. A ideia de partículas elementares constituintes da matéria, representando o último passo possível na divisibilidade de corpos materiais, vem desde o antigo filósofo grego Demócrito, que viveu no século IV a.c. Meditando a respeito da natureza oculta de tudo que existe, Demócrito chegou ao problema da estrutura da matéria, e viu-se ante a questão de saber se pode existir em porções infinitamente pequenas. Como não era costume naquela época resolver qualquer problema por qualquer outro método que não o pensamento puro, e como, em qualquer caso, a questão naquele tempo estava fora do alcance de qualquer ataque possível por meio de métodos experimentais, Demócrito procurou a resposta certa nas profundezas do próprio pensamento. Baseando-se em certas considerações filosóficas obscuras, chegou finalmente à conclusão de que seria impossível imaginar a possibilidade de dividir a matéria em partes cada vez menores sem qualquer limite, sendo necessário supor a existência das menores partículas que não se podem mais dividir. Chamou tais partículas de átomos, palavra que, conforme devem saber, significa em grego indivisível. Não pretendo diminuir a contribuição de Demócrito para o progresso das ciências naturais, mas é conveniente ter presente que, além de Demócrito e seus seguidores, havia sem dúvida outra escola na filosofia grega cujos sectários sustentavam ser possível levar o processo de divisibilidade além de qualquer limite [ ]. Ao tempo de Demócrito, e durante séculos posteriores, a existência de tais porções indivisíveis da matéria representava hipótese meramente filosófica, e foi somente no século XIX que os cientistas resolveram ter achado finalmente esses blocos indivisíveis de matéria [ ]. De fato, no ano 1808 um químico inglês, John Dalton, mostrou que as proporções relativas de diversos elementos químicos necessários para a formação de compostos mais complicados podem sempre exprimir- -se pela relação de números inteiros, interpretando essa lei empírica como devida a entrar em todos os corpos compostos número variável de partículas, que representam elementos químicos simples. A impossibilidade da alquimia medieval em transformar um elemento químico em outro forneceu a prova da indivisibilidade dessas partículas, e sem grande hesitação batizaram-nas pelo antigo nome grego de átomos. Uma vez dado, o nome pegou, e embora saibamos agora que esses átomos de Dalton não são de modo algum indivisíveis, sendo formados na realidade, de um grande número de partículas ainda menores, deixamos passar a inconsistência filosófica da denominação. Desse modo, as entidades chamadas átomos pela física moderna não são de modo algum as unidades elementares e indivisíveis que constituem a matéria, imaginadas por Demócrito, e o termo átomo seria atualmente mais correto se se aplicasse a partículas muito menores como elétrons e prótons, que entram na constituição dos átomos de Dalton. Contudo, semelhante mudança de denominações causaria demasiada confusão [ ]. Assim sendo, conservamos o antigo nome de átomos no sentido de Dalton e referimo-nos a elétrons, prótons, etc. como partículas elementares. Podemos agora voltar à questão que diz respeito à maneira pela qual as partículas elementares constroem os átomos de Dalton. [ ] Rutherford chegou à conclusão de que todos os átomos devem possuir núcleo central muito denso carregado positivamente (núcleo atômico) cercado por nuvem um tanto rarefeita de carga eletronegativa (atmosfera atômica). [ ] [Niels Bohr propôs] o sistema de órbitas circulares e elípticas, que representam os únicos tipos de movimento permitido aos elétrons que formam a atmosfera atômica. [ ] Enquanto a mecânica clássica permitiria que o elétron se movesse a qualquer distância do núcleo, sem estabelecer restrições quanto à excentricidade (isto é, alongamento) da órbita [...], as órbitas [...] de Bohr formam grupo discreto, tendo perfeitamente definidas todas as dimensões características. Gam o w, G. O incrível mundo da física moderna. Trad. Jacy Monteiro. 2. ed. São Paulo: Ibrasa, 1980, p ; De acordo com o texto 1. Quando Gamow escreveu o texto acima, ainda não havia sido elaborado o modelo que incluía partículas como os quarks. Extraia do texto uma expressão que confirme essa afirmação. 2. Você acredita que existam partículas ainda menores que os quarks? Justifique. 30

22 Física e sociedade Aplicações da eletrostática As máquinas fotocopiadoras têm como principal elemento um cilindro metálico coberto com uma fina camada de material fotocondutor (material que apresenta modificação em sua condutibilidade elétrica quando submetido à ação de ondas eletromagnéticas da faixa de luz visível). Normalmente, o material fotocondutor utilizado é o selênio. cilindro coberto por selênio lente barra corona barra corona transferidora documento original lâmpadas fluorescentes escova lâmina de vidro curvo rolos de fusão (aquecidos) tampa bandeja de saída correia transportadora espelho basculante (explorador) Esquema dos principais elementos de uma máquina fotocopiadora. O principal dispositivo é o cilindro coberto por material fotocondutor. Para produzir uma cópia é necessário fazer com que o pó toner, um pó muito fino, seja atraído para os pontos eletrizados do cilindro que contém a imagem eletrostática e depois transferir esse pó para o papel que será impresso. A atração entre o cilindro e o toner ocorre porque o cilindro é previamente eletrizado com carga negativa, e o toner, com carga positiva. A folha de papel em que será formada a imagem final é eletrizada antes de entrar em contato com o cilindro impregnado pelo toner. Quando a folha passa pelo cilindro, atrai o toner, formando a imagem no papel. Para fixar o toner ao papel, a folha com o toner passa por outro cilindro previamente aquecido à temperatura de fusão dessa substância, finalizando o processo. Pinturas eletrostáticas A pintura eletrostática é um processo em que as peças metálicas a serem pintadas são eletrizadas com carga positiva, e as partículas da tinta são eletrizadas com carga negativa. Quando pulverizadas, as gotas de tinta são atraídas para as peças antes que caiam ou se espalhem. Com esse processo, evita-se o desperdício de tinta, diminui-se o uso de solventes, aumenta-se a aderência às peças e torna-se mais homogênea a película de tinta sobre elas. O material fotocondutor eletrizado é neutralizado apenas nos pontos onde incide o feixe de luz. Os pontos do cilindro que contêm o material fotocondutor e que não foram iluminados permanecerão eletrizados. As copiadoras inicialmente projetam um feixe de luz sobre o documento a ser copiado. A imagem refletida é direcionada por meio de lentes para o cilindro metálico fotocondutor. De acordo com a intensidade de luz que chega ao cilindro, haverá pontos mais eletrizados ou menos eletrizados. A diferença entre a eletrização dos pontos é o que permitirá distinguir elementos da imagem eletrostática a ser copiada. Trabalhador utilizando a pintura eletrostática. Ao emitir um jato de tinta, as peças a serem pintadas, que estão eletrizadas, atraem as partículas de tinta, também eletrizadas com sinal contrário ao das peças. Esse procedimento evita desperdício de tinta. De acordo com o texto 1. Explique como se dá o processo de formação de imagens copiadas em uma máquina fotocopiadora. 2. Identifique todos os processos de eletrização presentes na descrição do funcionamento da máquina fotocopiadora e do processo em que se utilizam as pinturas eletrostáticas. 3. Formule hipóteses para explicar o que as pessoas precisavam fazer para produzir cópias de textos, imagens e documentos antes da invenção da máquina fotocopiadora. 4. Dê exemplos de outros recursos tecnológicos envolvendo carga elétrica em sua vida. 31

23 Laboratório Eletrostática Participantes: dois alunos Objetivo: identificar corpos eletrizados e observar atração e repulsão elétrica entre corpos. Material: dois canudinhos; papel-alumínio; duas folhas de toalha de papel; massa de modelar; lápis; bexiga; linha de costura fina; três suportes de madeira de 6 cm por 10 cm. A Procedimento 1. Corte três discos de papel-alumínio com raio de 1 cm. Fixe cada disco a um pedaço de linha de costura com 12 cm cada. 2. Dobre uma das pontas do canudinho e amarre a linha com o disco em uma das extremidades. A outra extremidade deve ser fixada ao suporte de madeira com o auxílio de massa de modelar (figura 1). 3. Fixe duas linhas com discos de alumínio na extremidade de outro canudinho e monte o arranjo experimental (figura 2). 4. Com o auxílio da massa de modelar, fixe o lápis ao terceiro suporte de madeira. Dobre um canudinho ao meio e o coloque sobre a ponta do lápis (figura 3). Para facilitar o apoio, faça um pequeno furo no canudinho onde será encaixada a ponta do lápis. 5. Pegue outro canudo e atrite-o em uma das folhas de toalha de papel. 6. Aproxime do pêndulo de um disco o canudinho atritado. Observe o que acontece com o disco de papel-alumínio e anote o que observar. 7. Atrite novamente o canudinho na folha de papel e encoste-o no pêndulo de dois discos. Observe o que acontece com o disco de papel-alumínio e anote o que observar. Repita esse procedimento quatro vezes seguidas ou até que os discos permaneçam afastados um do outro (figura 4). 8. Volte a atritar o canudo e aproxime-o do canudo apoiado sobre o lápis (figura 5). Observe e anote o resultado. B Depois do experimento Interpretação dos resultados 1. Quanto ao pêndulo eletrostático de um disco. a) Entre o canudinho e o disco houve atração ou repulsão? b) Explique por que ocorre essa interação mesmo estando neutro o disco de alumínio. c) Faça no caderno um esquema representando a distribuição de cargas no disco de alumínio e no canudinho. 2. Quanto ao pêndulo eletrostático de dois discos. a) Faça no caderno dois esquemas: um representando o fluxo de elétrons entre o canudinho e os discos; outro representando a distribuição de cargas nos discos. b) Explique por que estes discos se afastaram. c) Justifique por que é necessário atritar várias vezes o canudinho para que se afastem. 3. Quanto ao pêndulo triangular. a) Que tipo de interação ocorreu; atração ou repulsão? b) Faça no caderno um esquema representando a distribuição de cargas nos dois canudos. c) Sugira um procedimento com os mesmos materiais para que ocorra a interação oposta à obtida na atividade. canudinho de refresco 6 cm 20 cm 10 cm Figura 1: pêndulo eletrostático de um disco. canudinho dobrado apoiado na ponta do lápis canudinho atritado Figura 5: pêndulo triangular. Figura 3. 8 cm Figura 2: pêndulo eletrostático com dois discos. Figura 4. fio (linha fina) rodela de papel- -alumínio diâmetro: 1 cm massa de modelar para firmar o canudo lápis lápis suporte de madeira 32

24 Rede de conceitos múltiplo da carga elementar e 1, C é sempre um a Carga elétrica pode ser positiva negativa se conserva é uma propriedade de certas partículas como em excesso tornam o os elétrons () corpo eletrizado negativamente os prótons () em excesso tornam o corpo eletrizado positivamente em igual quantidade tornam o um corpo eletricamente neutro pode ser eletrizado por atrito o corpo neutro contato o corpo neutro indução o corpo neutro adquire adquire adquire carga de sinal oposto ao da carga do corpo eletrizado carga de mesmo sinal que o da carga do corpo eletrizado carga de sinal oposto ao da carga do corpo eletrizado 33