FÍSICA ELETROSTÁTICA: Eletrização e Lei de Coulomb Toda a matéria que se conhece é composta de átomos. Por muito tempo pensou-se que esses átomos eram as partículas indivisíveis do Universo. Estudos mostraram que os átomos são constituídos de partículas ainda menores: os prótons, os elétrons e os nêutrons. Imagem: Infoescola Prótons e nêutrons estão confinados no núcleo atômico. Já os elétrons giram ao redor, na eletrosfera. Prótons e elétrons possuem natureza elétrica oposta. Admitiu-se então que prótons são partículas de carga positiva, elétrons de carga negativa e os nêutrons não possuem carga elétrica. Observação: Hoje também se tem conhecimento dos Quarks, que são partículas menores que os prótons, elétrons e nêutrons. Estes então não são indivisíveis. CORPOS ELETRIZADOS Um corpo está eletricamente neutro quando sua quantidade de prótons é igual á quantidade de elétrons. Um corpo eletrizado possui algum tipo de partícula em excesso. Corpo Eletrizado positivamente: Possui mais prótons que elétrons. Corpo Eletrizado negativamente: Possui mais elétrons do que prótons. PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO É possível tornar um corpo inicialmente neutro eletrizado, através de três processos. Eletrização por Atrito 1
Após atritar dois corpos, estes adquirem cargas de sinais opostos. Na Série Triboelétrica é possível verificar o material que possui maior ou menor tendência a ganhar carga elétrica. O ganho de Carga Elétrica significa uma perda de elétrons e vice versa. Série Triboelétrica Eletrização Por Contato Nesse processo, os corpos envolvidos adquirem cargas de mesmo sinal após atingem o Equilíbrio Eletrostático (corpos idênticos adquirem também a mesma carga). Se um corpo neutro é posto em contato com um corpo eletrizado negativamente (excesso de elétrons), este segundo corpo perde elétrons para o neutro, ficando ambos com excesso de partículas negativas. 2
Se um corpo neutro é posto em contato com um corpo eletrizado positivamente (excesso de prótons), aquele corpo neutro perde elétrons para o carregado, ficando os dois com excesso de partículas positivas. Eletrização Por Indução (Indução Eletrostática) Na Indução ocorre uma reorganização de cargas no induzido. As partículas de sinal oposto ao do indutor ficam mais próximas deste. Adicionando um fio terra ao induzido (corpo B) ele adquire ou perde partículas negativas para o solo, ficando então, eletrizado. CARGA ELÉTRICA (Q) A carga elétrica de um condutor pode ser calculada a partir da quantidade de prótons ou elétrons em excesso existentes no corpo. Q = n. e n = número de partículas em excesso; e = carga elementar e = 1,6. 10-19 C A carga elementar é o valor obtido para a carga elétrica do próton (positiva) ou do elétron (negativa). Princípio da Conservação de Cargas: Ao colocarmos dois condutores idênticos em contato, eles trocam elétrons até atingirem o Equilíbrio Eletrostático, ou seja, até que suas cargas tenham o mesmo valor. Imagem: Os Fundamentos da Física 3
Q antes = Q depois Após o contato, a soma das cargas é igual à soma das cargas iniciais LEI DE COULOMB Através da Lei de Coulomb é possível se determinar o valor da Força de Atração ou Repulsão Eletrostática entre os condutores. A Força é atrativa quando os condutores tem cargas de sinais opostos e repulsiva quando os sinais são iguais. Considere dos condutores de cargas Q 1 e Q 2 separados por uma distância d, em metros. Ko. Q1. Q2 d 2 K o = 9. 10 9 N. m²/c² Fe = Constante Eletrostática no Vácuo 4
Exercícios Questão 01 "Nuvens, relâmpagos e trovões talvez estejam entre os primeiros fenômenos naturais observados pelos humanos pré-históricos. [...]. A teoria precipitativa é capaz de explicar convenientemente os aspectos básicos da eletrificação das nuvens, por meio de dois processos [...]. No primeiro deles, a existência do campo elétrico atmosférico dirigido para baixo [...]. Os relâmpagos são descargas de curta duração, com correntes elétricas intensas, que se propagam por distâncias da ordem de quilômetros [...]". (FERNANDES, W. A.; PINTO Jr. O; PINTO, I. R. C. A. Eletricidade e poluição no ar. Ciência Hoje. v. 42, n. 252. set. 2008. p. 18.) (UEL 2009) Revistas de divulgação científica ajudam a população, de um modo geral, a se aproximar dos conhecimentos da Física. No entanto, muitas vezes alguns conceitos básicos precisam ser compreendidos para o entendimento das informações. Nesse texto, estão explicitados dois importantes conceitos elementares para a compreensão das informações dadas: o de campo elétrico e o de corrente elétrica. Assinale a alternativa que corretamente conceitua campo elétrico. A. ( ) O campo elétrico é uma grandeza vetorial definida como a razão entre a força elétrica e a carga elétrica. B. ( ) As linhas de força do campo elétrico convergem para a carga positiva e divergem da carga negativa. C. ( ) O campo elétrico é uma grandeza escalar definida como a razão entre a força elétrica e a carga elétrica. D. ( ) A intensidade do campo elétrico no interior de qualquer superfície condutora fechada depende da geometria desta superfície. E. ( ) O sentido do campo elétrico independe do sinal da carga Q, geradora do campo. Questão 02 (UNIFESP 2006) Duas partículas de cargas elétricas Q 1 = 4,0 10-16 C e Q 2 = 6,0 10-16 C estão separadas no vácuo por uma distância de 3,0 10-9 m. Sendo k = 9,0 10 9 N.m 2 /C 2, a intensidade da força de interação entre elas, em newtons, é de A. ( ) 1,2 10-5. B. ( ) 1,8 10-4. C. ( ) 2,0 10-4. D. ( ) 2,4 10-4. E. ( ) 3,0 10-3. Questão 03 (PUC RJ 2006) Inicialmente, a força elétrica atuando entre dois corpos A e B, separados por uma distância d, é repulsiva e vale F. Se retirarmos metade da carga do corpo A, qual deve ser a nova separação entre os corpos para que a força entre eles permaneça igual a F? Questão 04 (PUC MG 2006) Em certos dias do ano, frequentemente tomamos pequenos choques ao fecharmos a porta do carro ou ao cumprimentarmos um colega com um simples aperto de mãos. Em quais circunstâncias é mais provável que ocorram essas descargas elétricas? A. ( ) Em dias muito quentes e úmidos, porque o ar se torna condutor. B. ( ) Em dias secos, pois o ar seco é bom isolante e os corpos se eletrizam mais facilmente. C. ( ) Em dias frios e chuvosos, pois a água da chuva é ótima condutora de eletricidade. D. ( ) A umidade do ar não influi nos fenômenos da eletrostática, logo essas descargas poderão ocorrer a qualquer momento. Questão 05 (Fatec 2006) Duas pequenas esferas idênticas A e B têm cargas respectivamente QA = -14. 10-6 e QB = 50. 10-6 C. As duas são colocadas em contato e após atingido o equilíbrio eletrostático são separadas. Lembrando-se que a carga de um elétron é 1,6. 10-19 C, é correto afirmar que, após atingido o equilíbrio, A. ( ) 2. 10 14 prótons terão passado de A para B. B. ( ) 1,6. 10-19 prótons terão passado de A para B. C. ( ) 2. 10 14 elétrons terão passado de A para B. D. ( ) 1,6. 10-19 elétrons terão passado de A para B. E. ( ) 2. 10 14 elétrons terão passado de B para A. Questão 06 (UFPEL 2000) Na mitologia dos povos da antiguidade, assim como no humor de Luís Fernando Veríssimo, os raios são apresentados como manifestações da irritação dos deuses. 5
Seus conhecimentos de eletricidade permitem-lhe afirmar que ocorrem descargas elétricas entre nuvens e a Terra quando: A. ( ) o ar se torna condutor porque foi ultrapassado o valor de sua rigidez dielétrica. B. ( ) cresce muito a rigidez dielétrica do ar, devido ao acumulo de cargas elétricas nas nuvens. C. ( ) se torna nula a diferença de potencial entre as nuvens e a Terra porque estão carregadas com cargas de sinais contrários. D. ( ) diminui o campo elétrico na região, devido à eletrização da superfície terrestre por indução. E. ( ) o valor do campo elétrico na região oscila fortemente, devido ao acúmulo de cargas elétricas nas nuvens. Questão 07 (UFSM 2002) Uma partícula com carga de 8 x 10-7 C exerce uma força elétrica de módulo 1,6 x 10-2 N sobre outra partícula com carga de 2 x 10-7 C. A intensidade do campo elétrico no ponto onde se encontra a segunda partícula é, em N/C, A. ( ) 3,2 x 10-9 B. ( ) 1,28 x 10-8 C. ( ) 1,6 x 10 4 D. ( ) 2 x 10 4 E. ( ) 8 x 10 4 Questão 08 (PUC RS 2001) Leia com atenção a tira do gato Garfield mostrada a seguir e analise as afirmativas que se seguem. I - Garfield, ao esfregar suas patas no carpete de lã, adquire carga elétrica. Esse processo é conhecido como sendo eletrização por atrito. II - Garfield, ao esfregar suas patas no carpete de lã, adquire carga elétrica. Esse processo é conhecido como sendo eletrização por indução. III - O estalo e a eventual faísca que Garfield pode provocar, ao encostar em outros corpos, são devidos à movimentação da carga acumulada no corpo do gato, que flui de seu corpo para os outros corpos. Estão certas A. ( ) I, II e III. B. ( ) I e II. C. ( ) I e III. D. ( ) II e III. E. ( ) apenas I. Questão 09 (W W DE ARAGAO 2015) Durante uma tempestade, se um raio atingir um avião seus ocupantes não sentirão os efeitos da descarga elétrica. Os elétrons do raio se distribuem pela superfície externa do avião e os efeitos são neutralizados. O motivo de os passageiros não sentirem choque, nessa situação é: A. ( ) O avião é revestido com material isolante, que não distribui cargas elétricas. B. ( ) O avião voa em alta velocidade, fazendo os elétrons escaparem de sua superfície. C. ( ) O avião possui um aparelho que torna seu campo elétrico interno maior que o externo. D. ( ) O avião é revestido de material condutor, que distribui as cargas elétricas. E. ( ) O avião é um condutor em equilíbrio, onde ocorre a Blindagem Eletrostática. Questão 10 (ENEM MEC) Duas irmãs que dividem o mesmo quarto de estudos combinaram de comprar duas caixas com tampas para guardarem seus pertences dentro de suas caixas, evitando, assim, a bagunça sobre a mesa de estudos. Uma delas comprou uma metálica, e a outra, uma caixa de madeira de área e espessura lateral diferentes, para facilitar a identificação. Um dia as meninas foram estudar para a prova de Física e, ao se acomodarem na mesa de estudos, guardarem seus celulares ligados dentro de suas caixas. Ao longo desse dia, uma delas recebeu ligações telefônicas, enquanto os amigos da outra tentavam ligar e recebiam a mensagem de que o celular estava fora da área de cobertura ou desligado. Para explicar essa situação, um físico deveria afirmar que o material da caixa, cujo telefone celular não recebeu as ligações é de: A. ( ) madeira, e o telefone não funcionava porque a madeira não é um bom condutor de eletricidade. B. ( ) metal, e o telefone não funcionava devido à blindagem eletrostática que o metal proporcionava. C. ( ) metal, e o telefone não funcionava porque o metal refletia todo tipo de radiação que nele incidia. D. ( ) metal, e o telefone não funcionava porque a área lateral da caixa de metal era maior. E. ( ) madeira, e o telefone não funcionava porque a espessura desta caixa era maior que a espessura da caixa de metal. 6