Física Eletricidade 1-Introdução No desenvolvimento da ciência, não há uma ordem cronológica; as coisas vão sendo descobertas, pesquisadas, pela necessidade e até mesmo por acaso. Assim foi com a eletricidade e o magnetismo que teve seu início com a descoberta do âmbar 600 a.c, seiva de um tipo de árvore que, endurecida, tem a propriedade de atrair materiais leves quando atritada; e da magnetita, pedra que tem a propriedade de atrair materiais ferrosos, sem a necessidade de ser atritada. Conta-se que a descoberta da eletricidade deve-se a Tales de Mileto. Ele teria observado que o âmbar, uma resina fóssil denominada elektron entre os gregos, adquiria a propriedade de atrair objetos leves, como pedaços de palha, após ser esfregado num tecido. Com o passar do tempo, a partir do âmbar (elektron), surgiu a expressão eletricidade. O estudo da eletricidade para fins didáticos foi dividido em três partes; no nosso estudo, seguiremos a seguinte ordem: Eletrostática Eletricidade Eletrodinâmica Eletromagnetismo Eletrostática Estuda o comportamento e os efeitos das cargas elétricas em repouso (estática). Eletrodinâmica Estuda o comportamento e os efeitos das cargas elétricas em movimento (dinâmica). EletromagnetismoEstuda o comportamento da corrente elétrica que produz efeito magnético e vice-versa, pois o magnetismo também gera corrente elétrica. 2-Composição da Matéria Sabemos hoje que a matéria é composta de átomos e que, durante a evolução da ciência, foram criados vários modelos de átomos. Na medida em que certos modelos não explicavam alguns comportamentos físicos, esses eram substituídos por outro, que satisfizesse e explicasse tais comportamentos. Modelos Atômicos Modelo Demócrito (século V a.c) Átomo é a menor partícula constituinte do corpo e é indivisível Modelo Dalton (século XIX) Manteve a concepção do modelo anterior (átomo como sendo uma bolinha maciça e indivisível), porém estabeleceu algumas teorias:
A matéria é composta por partículas indivisíveis; Os átomos de um mesmo elemento são iguais; As substâncias são formadas pela combinação de átomos numa proporção simples. Modelo Thomson (século XIX) Thomson, trabalhando com gás à baixa pressão em um tubo de vidro, verificou a existência de cargas negativas e propôs um novo modelo de átomo como sendo divisível composto por partículas positivas e negativas, ou seja, ele era uma esfera composta de cargas positivas, incrustadas de cargas negativas (pudim de passas). Modelo Rutherford (século XX) - modelo planetário. Já se sabia que o átomo era composto de partículas positivas e negativas, porém o modelo de Thomson não explicava certos fenômenos como a condutividade. Foi com a experiência de Rutherford, bombardeamento de partículas as quais já eram conhecidas na época, em uma lâmina de ouro, que se constatou as existências de um núcleo positivo e, em volta deste núcleo, uma região onde circulava os elétrons. Rutherford também previu a existência de partículas sem carga (nêutrons) no núcleo. Partícula sendo emitida por um átomo radioativo Modelo Bohr O modelo de Bohr, também chamado de modelo Rutherford-Bohr, foi uma ampliação do modelo de Rutherford. Segundo a mecânica clássica uma partícula carregada com movimento acelerado perderia energia eletromagnética e, portanto, o elétron também perderia e acabaria colidindo com o núcleo. Bohr para contornar este impasse enunciou alguns postulados (afirmação aceita como verdadeiras, mas sem demonstrações) 1. Os elétrons estão dispostos em órbitas circulares e em níveis de energia definidos (órbitas estacionárias), onde a energia é constante. 2. Se o elétron receber certa quantidade de energia, ele poderá passar para o nível de maior energia e ao retornar para o nível anterior, emitir a energia recebida em forma de onda eletromagnética visível (luz) ou invisível, por exemplo, Raio X. 3-Eletrização de um Corpo Sabemos que corpos são compostos de átomos e que estes possuem cargas denominadas (prótons) positivas localizadas no núcleo e cargas denominadas (elétrons) negativas em volta do núcleo. O átomo é eletricamente neutro, pois possui as quantidades de cargas positivas (prótons) iguais ao número de cargas negativas (elétrons) Eletrizar um corpo é fazer com que ele adquira carga, seja ela positiva ou negativa. Qualquer que seja o processo de eletrização, o que ocorre na verdade é a
locomoção de elétrons, pois os prótons encontram-se presos ao núcleo por uma força bastante forte chamada de força nuclear. Já os elétrons, estes estão na eletrosfera, região em volta do núcleo. Ao eletrizar-se, um átomo passa a ser chamado de íon. Íon é, portanto, um átomo com carga. Temos a seguinte classificação para o íon: Íon Ânion átomo que ganhou elétrons, possui carga negativa, excesso de Elétrons Íon - Cátion átomo que perdeu elétrons, possui carga positiva, falta de elétrons íon + Através de experiência, determinou-se a carga do elétron e = -1,6x10-19 C e do próton como sendo e = +1,6x10-19 C. A unidade de carga conhecida por Coulomb foi definida da seguinte forma: 1 coulomb é a quantidade de carga que atravessa a secção normal de um condutor percorrido por uma corrente de 1 ampère em 1 segundo. Os submúltiplos do Coulomb são: 1mC (milicoulomb) = 10-3 C 1C (microcoulomb) = 10-6 C 1nC (nanocoulomb) =10-9 C 1pC (picocoulomb) =10 12 C No sistema internacional de unidades SI, as cargas são dadas em Coulomb, então quando elas estiverem sendo expressas como uma unidade de submúltiplo tem que transformá-las em Coulomb se quisermos expressar a resposta no SI. Quando dois corpos estão eletrizados há uma interação entre eles que será de atração se as cargas forem de sinais contrários e, de repulsão, se as cargas forem de mesmo sinal. Interações entre cargas As características das forças, nesses pares, é que elas têm o mesmo módulo, a mesma direção e atuam em sentidos contrários. São os pares de forças Ação e Reação (3º Lei de Newton). Vale salientar que os módulos desses pares de forças são iguais independentes das cargas que cada corpo possua.
4-Princípio da Conservação da Carga Elétrica Num sistema isolado, a soma algébrica das cargas elétricas permanece constante, ainda que sejam alteradas as quantidades de cargas dentro do sistema. Entende-se por sistema isolado àquele que pode haver trocas de cargas dentro do sistema, mas não fora dele. n i1 Q i q n i1 i Exercícios/Exemplos 1- Atritado com lã, um bastão de vidro adquire carga positiva. Qual é o tipo da transferência de partículas elementares que ocorre neste processo? R- Elétrons, pois na eletrização o que ocorre é transferência de elétrons. 2-Através de um processo de eletrização foram tirados inicialmente de um corpo neutro 3x10 8 elétrons. Determine a quantidade de carga que este corpo adquiriu. Solução: Observe a representação didática ao lado, corpo carregado com falta de elétrons. 8 19 11 Q n. e Q 3x10.1,6 x10 C 4,8x10 C Como o corpo ficou com falta de elétrons a carga que ele adquire é positiva. 3-A Lua e a Terra mantêm entre si forças de atração mútua denominadas força gravitacional, que é uma força de campo como as forças elétricas entre corpos carregados. Examine a figura e identifique o que há de errado nesta figura e explique o porquê. F LT F TL Lua Terra R- A força de atração que ocorre entre a lua e a Terra são forças de Ação e Reação e, portanto, devem possuir a mesma direção, mesmo módulo e sentidos contrários e na figura a representação dos módulos das forças estão direntes.
4 Um canudo de refrigerante, inicialmente neutro, é atritado com papel adquirindo na sua extremidade uma quantidade de carga igual a 48C, devido à tranferência de elétrons para o papel. Determine: a) o sinal da carga do canudo e do papel adquirido após o processo de eletrização; b) a quantidade de carga elementar transportada do canudo para o papel; c) a quantidade de carga num sistema isolado contendo o canudo e o papel antes e depois do atrito? Solução: a) Sinal positivo 6 Q 48.10 C 6 19 14 b) Q n. e n 30.10.10 3, 0.10 19 e 1, 6.10 C c) A carga não se altera se no começo a carga era nula, após o atrito a soma também será nula. 5-Quantos elétrons devem receber um corpo, inicialmente com carga de +1C, para atingir a carga de 2,0C? Carga elétrica elementar e = 1,6x10-19 C. R- +1C+(-3µC) = -2µC, logo Q e 3.10 C 1, 6.10 C 6 13. 1,875.10 eletrons 19 Q n e n