MODÊLO ATÔMICO CLÁSSICO: Anglo Itatiba Página 1
Praticamente toda a matéria do universo conhecido é formada por átomos. Átomos, por sua vez, são formados por várias outras partículas. Todo átomo tem um núcleo muito denso envolto por uma eletrosfera, que é uma região praticamente vazia. Na eletrosfera encontramos os elétrons, que são partículas fundamentais, ou seja, não são compostos por nenhuma outra partícula. São portadores de carga elétrica negativa (por definição) cujo valor é -1e, sendo e a carga elementar de valor 1,6.10-19 C (C = Coulomb). No núcleo encontramos os prótons e os nêutrons (constituintes da matéria), ambos formados por várias outras sub-partículas como os quarks e glúons. Os glúons são responsáveis pela coesão do núcleo atômico, pois são eles que exercem a chamada Força Nuclear Forte, a mais intensa de todas as quatro forças do universo. Anglo Itatiba Página 2
CARGA ELÉTRICA: Como já foi especificado, os elétrons possuem carga elétrica = -1,6.10-19 C e são partículas elementares, não formadas por outras partículas. Os prótons e nêutrons, por sua vez, são formados por quarks. Existem seis tipos de quaks (Up, Down, Strange, Charm, Bottom e Top). Os que compõem prótons e nêutrons são o quark Up e o quark Down. Os quark Up têm carga = ; os quark Down possuem carga =, (lembre-se que e = 1,6.10-19 C). Assim, podemos concluir que a carga dos prótons é devida à combinação de dois quarks Up e um quark Down (uud), enquanto que os nêutrons são formados por um quark Up e dois quarks Down (udd). CORPOS NEUTROS E CORPOS ELETRIZADOS: Uma vez que a carga de um elétron é -1e, a carga de um próton é +1e e a carga do nêutron é zero, um átomo, uma molécula ou um objeto qualquer, apenas estarão eletrizados se houver um desequilíbrio entre o número de elétrons e o de prótons. Assim, desejando carregar eletricamente (eletrizar) uma caneta, por exemplo, será necessário retirar ou fornecer ELÉTRONS a ela, uma vez que retirar ou fornecer PRÓTONS é impossível. Esse procedimento é feito através da troca de elétrons com um segundo, ou mesmo vários outros objetos. Para realizar tal intento existem três processos de eletrização que estudaremos a seguir. 1) TRIBOELETRIZAÇÃO OU ELETRIZAÇÃO POR ATRITO: Como o nome sugere, o objeto que será alvo da eletrização é atritado (esfregado) contra outro, de modo que a troca de energia oriunda desse atrito faz com que Anglo Itatiba Página 3
ALGUNS elétrons passem de um corpo para o outro, fazendo com que as partículas perdidas por um sejam adquiridas pelo outro, eletrizando ambos COM CARGA DE MESMO VALOR ABSOLUTO, porém de SINAIS OPOSTOS. Esse processo é bem sucedido quando os materiais atritados são dielétricos (isolantes elétricos). Pode-se descobrir qual dos corpos ganha ou perde elétrons durante o atrito analisando-se a série triboelétrica, na qual o material que aparece antes, na lista, perde elétrons (ficando positivamente eletrizado) quando atritado com um material que aparece posteriormente, que ganha elétrons (ficando negativamente eletrizado). 2) ELETRIZAÇÃO POR CONTATO: No processo de eletrização por contato, ao contrário do processo anterior, um dos corpos deve estar previamente eletrizado. Assim, esse corpo, ao entrar em contato com outro corpo neutro, irá induzir um fluxo de ELÉTRONS dele para o outro ou viceversa, até que ocorra o equilíbrio eletrostático. Se o corpo eletrizado possui carga positiva, o fluxo de elétrons será do neutro para o eletrizado, ficando o neutro também com carga final positiva. Se o corpo eletrizado possui carga negativa, o fluxo de elétrons será do eletrizado para o neutro, ficando o neutro também com carga final negativa. Anglo Itatiba Página 4
Esse processo é mais eficiente entre objetos que conduzem bem a eletricidade. Se houver vários objetos eletrizados e eles entrarem em contato, haverá fluxo de elétrons entre eles até que se atinja o equilíbrio eletrostático. A carga final de cada um terá o mesmo sinal da carga total do sistema (soma algébrica das cargas individuais). O valor (intensidade) das cargas resultantes do processo de eletrização por contato depende dentre outros fatores, da geometria da superfície externa dos objetos. Estudaremos esse assunto em breve. Porém, se os corpos possuírem superfícies idênticas (esferas iguais) cada um ficará, atingido o equilíbrio eletrostático, com uma fração da carga total do sistema, idêntica à do outro, ou seja, a carga total do sistema será distribuída igualmente entre todos os objetos que realizarem o contato SIMULTÂNEO. 3) ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO OU INDUÇÃO ELETROSTÁTICA: Quando um objeto previamente eletrizado (indutor) é aproximado de outro objeto constituído de material condutor (induzido), este terá alguns de seus elétrons livres movimentados: - Para o lado mais próximo do indutor, se este estiver eletrizado positivamente: Anglo Itatiba Página 5
- Para o lado mais afastado do indutor, se este estiver eletrizado negativamente: ATENÇÃO: em nenhum dos casos acima o corpo B (induzido) está eletrizado! Em ambos os casos, a quantidade de prótons e a de elétrons são iguais. Assim, o corpo B está NEUTRO! Para que a eletrização ocorra, o corpo B (induzido) deve ser ligado a outro corpo que pode ser a Terra (aterramento). Assim, o induzido, receberá elétrons se seu indutor estiver positivo e doará se seu indutor estiver negativamente eletrizado. Exemplo 1 induzido ligado à Terra: Exemplo 2 induzido ligado a outro condutor: Anglo Itatiba Página 6
EXERCÍCIOS 1. (G1 - ifsp 2012) Enquanto fazia a limpeza em seu local de trabalho, uma faxineira se surpreendeu com o seguinte fenômeno: depois de limpar um objeto de vidro, esfregandoo vigorosamente com um pedaço de pano de lã, percebeu que o vidro atraiu para si pequenos pedaços de papel que estavam espalhados sobre a mesa. O motivo da surpresa da faxineira consiste no fato de que a) quando atritou o vidro e a lã, ela retirou prótons do vidro tornando-o negativamente eletrizado, possibilitando que atraísse os pedaços de papel. b) o atrito entre o vidro e a lã aqueceu o vidro e o calor produzido foi o responsável pela atração dos pedaços de papel. c) ao esfregar a lã no vidro, a faxineira criou um campo magnético ao redor do vidro semelhante ao existente ao redor de um ímã. d) ao esfregar a lã e o vidro, a faxineira tornou-os eletricamente neutros, impedindo que o vidro repelisse os pedaços de papel. e) o atrito entre o vidro e a lã fez um dos dois perder elétrons e o outro ganhar, eletrizando os dois, o que permitiu que o vidro atraísse os pedaços de papel. 2. (Uftm 2012) Em uma festa infantil, o mágico resolve fazer uma demonstração que desperta a curiosidade das crianças ali presentes. Enche uma bexiga com ar, fecha-a, e, a seguir, após esfregá-la vigorosamente nos cabelos de uma das crianças, encosta o balão em uma parede lisa e perfeitamente vertical. Ao retirar a mão, a bexiga permanece fixada à parede. Qual foi a mágica? Anglo Itatiba Página 7
a) O ar da bexiga interage com a parede, permitindo o repouso da bexiga. b) Ao ser atritada, a bexiga fica eletrizada e induz a distribuição das cargas da parede, o que permite a atração. c) O atrito estático existente entre a bexiga e a parede é suficiente para segurá-la, em repouso, na parede. d) A bexiga fica eletrizada, gerando uma corrente elétrica que a segura à parede. e) Por ser bom condutor de eletricidade, o ar no interior da bexiga absorve energia elétrica da parede, permitindo a atração. 3. (G1 - ifsc 2012) Como funciona a Máquina de Xerox Quando se inicia a operação em uma máquina de Xerox, acende-se uma lâmpada, que varre todo o documento a ser copiado. A imagem é projetada por meio de espelhos e lentes sobre a superfície de um tambor fotossensível, que é um cilindro de alumínio revestido de um material fotocondutor. Os fotocondutores são materiais com propriedade isolante no escuro. Mas, quando expostos à luz, são condutores. Assim, quando a imagem refletida nos espelhos chega ao tambor, as cargas superficiais do cilindro se alteram: as áreas claras do documento eliminam as cargas elétricas que estão sobre a superfície do cilindro e as áreas escuras as preservam. Formase, então, uma imagem latente, que ainda precisa ser revelada. Para isso, o cilindro é revestido por uma fina tinta de pó, o tonalizador, ou toner, que adere à imagem latente formada sobre o tambor. Em seguida, toda a imagem passa para as fibras do papel, através de pressão e calor. E, assim, chega-se à cópia final. cargas elétricas contrárias às da régua, pois há transferência de cargas de um material para o outro. III. Fazemos com que a régua de plástico fique carregada eletricamente com o mesmo tipo de cargas da lã, pois a transferência de cargas se dá de um objeto carregado para o outro. IV. A régua de plástico e a lã ficam eletricamente neutros, pois o processo de eletrização por atrito é o processo de indução de cargas. Está(ão) correta(s): a) I. b) II. c) III. d) IV. e) I e IV. 5. (G1 - cftmg 2011) O eletroscópio da figura, eletrizado com carga desconhecida, consiste de uma esfera metálica ligada, através de uma haste condutora, a duas folhas metálicas e delgadas. Esse conjunto encontra-se isolado por uma rolha de cortiça presa ao gargalo de uma garrafa de vidro transparente, como mostra a figura. Fonte: Revista Globo Ciência, dez. 1996, p. 18. O texto acima se refere a uma aplicação do fenômeno de eletrização, pois é graças a ele que o toner adere ao cilindro metálico mencionado. O processo de eletrização pode ocorrer de três formas distintas: atrito, indução e contato, mas todos os processos têm algo em comum. É CORRETO afirmar que o comum destes processos é: a) Deixar o corpo eletrizado, com um desequilíbrio entre o número de cargas elétricas positivas e negativas. b) Deixar o corpo eletrizado, com um equilíbrio entre o número de cargas elétricas positivas e negativas. c) Arrancar as cargas positivas do corpo eletrizado. d) Deixar o corpo eletrizado com uma corrente elétrica negativa. e) Deixar o corpo eletrizado com um campo magnético. 4. (G1 - utfpr 2012) Quando atritamos uma régua de plástico com um pedaço de lã: I. Fazemos com que a régua de plástico fique carregada com cargas elétricas e o pedaço de lã continue neutro eletricamente, pois o papel da lã é de atritar a régua. II. Fazemos com que a régua de plástico fique carregada com cargas elétricas e o pedaço de lã fique carregado com Sobre esse dispositivo, afirma-se: I. As folhas movem-se quando um corpo neutro é aproximado da esfera sem tocá-la. II. O vidro que envolve as folhas delgadas funciona como uma blindagem eletrostática. III. A esfera e as lâminas estão eletrizadas com carga de mesmo sinal e a haste está neutra. IV. As folhas abrem-se ainda mais quando um objeto, de mesma carga do eletroscópio, aproxima-se da esfera sem tocá-la. Estão corretas apenas as afirmativas a) I e II. b) I e IV. c) II e III. d) III e IV. 6. (Uem 2011) Sobre os fenômenos da eletrização e da indução eletrostática, assinale o que for correto. 01) Um corpo metálico não eletrizado possui número igual de cargas elétricas positivas e de cargas elétricas negativas. Anglo Itatiba Página 8
02) Um corpo metálico eletrizado positivamente possui excesso de prótons. 04) A indução eletrostática é a separação de cargas que acontece em um condutor eletricamente neutro, quando um corpo eletrizado é aproximado desse condutor, fazendo com que cargas induzidas se acumulem em suas extremidades. 08) Um dielétrico não pode ser polarizado por indução eletrostática. 16) Quando dois corpos são atritados, prótons são deslocados de um corpo para outro fazendo com que esses corpos fiquem eletrizados. 7. (Uepg 2011) Considere quatro esferas metálicas idênticas e isoladas uma da outra. Três esferas (a,b,c) estão, inicialmente, descarregadas e a quarta esfera (d) está eletrizada com carga igual a Q. A seguir a esfera d é posta sucessivamente em contato com as esferas a, b e c. No final todas as esferas estão eletrizadas. Sobre as cargas adquiridas pelas esferas, ao final do processo, assinale o que for correto. 01) As quatro esferas estarão igualmente eletrizadas. 02) A esfera a estará eletrizada com carga igual a Q/2. 04) As esferas c e d estarão eletrizadas com cargas iguais a Q/8. 08) As esferas a, b e c estarão eletrizadas com cargas iguais a Q/3. 16) A esfera b estará eletrizada com carga igual a Q/4. 8. (Uftm 2011) A indução eletrostática consiste no fenômeno da separação de cargas em um corpo condutor (induzido), devido à proximidade de outro corpo eletrizado (indutor). Preparando-se para uma prova de física, um estudante anota em seu resumo os passos a serem seguidos para eletrizar um corpo neutro por indução, e a conclusão a respeito da carga adquirida por ele. Passos a serem seguidos: I. Aproximar o indutor do induzido, sem tocá-lo. II. Conectar o induzido à Terra. III. Afastar o indutor. IV. Desconectar o induzido da Terra. Conclusão: No final do processo, o induzido terá adquirido cargas de sinais iguais às do indutor. Ao mostrar o resumo para seu professor, ouviu dele que, para ficar correto, ele deverá a) inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está correta. b) inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está errada. c) inverter o passo I com II, e que sua conclusão está errada. d) inverter o passo I com II, e que sua conclusão está correta. e) inverter o passo II com III, e que sua conclusão está errada. 9. (Ufpb 2011) Uma esfera condutora A, carregada positivamente, é aproximada de uma outra esfera condutora B, que é idêntica à esfera A, mas está eletricamente neutra. Sobre processos de eletrização entre essas duas esferas, identifique as afirmativas corretas: ( ) Ao aproximar a esfera A da B, sem que haja contato, uma força de atração surgirá entre essas esferas. ( ) Ao aproximar a esfera A da B, havendo contato, e em seguida separando-as, as duas esferas sofrerão uma força de repulsão. ( ) Ao aproximar a esfera A da B, havendo contato, e em seguida afastando-as, a esfera A ficará neutra e a esfera B ficará carregada positivamente. ( ) Ao aproximar a esfera A da B, sem que haja contato, e em seguida aterrando a esfera B, ao se desfazer esse aterramento, ambas ficarão com cargas elétricas de sinais opostos. ( ) Ao aproximar a esfera A da B, sem que haja contato, e em seguida afastando-as, a configuração inicial de cargas não se modificará. 10. (G1 - cps 2010) Um condutor eletrizado positivamente está isolado. Ao ser ligado à Terra, por meio de um fio condutor, ele se descarrega em virtude da subida da seguinte partícula proveniente dessa ligação. a) prótons. b) nêutrons. c) quarks. d) neutrinos. e) elétrons. 11. (Ufla 2010) Duas esferas condutoras descarregadas e iguais 1 e 2 estão em contato entre si e apoiadas numa superfície isolante. Aproxima se de uma delas um bastão eletrizado positivamente, sem tocá la, conforme figura a seguir. Em seguida as esferas são afastadas e o bastão eletrizado é removido. Anglo Itatiba Página 9
gerador de Van de Graaf. É correto afirmar que a) as esferas permanecem descarregadas, pois não há transferência de cargas entre bastão e esferas. b) a esfera 1, mais próxima do bastão, fica carregada positivamente e a esfera 2 carregada negativamente. c) as esferas ficam eletrizadas com cargas iguais e de sinais opostos. d) as esferas ficam carregadas com cargas de sinais iguais e ambas de sinal negativo, pois o bastão atrai cargas opostas. 12. (Ufjf 2006) Considere um bastão de PVC carregado com um excesso de cargas positivas e três esferas metálicas condutoras neutras e eletricamente isoladas do ambiente. Elas são postas em contato, lado a lado, alinhadas. O bastão carregado é aproximado de uma das esferas das extremidades, de maneira a estar posicionado na mesma linha, mas não a toca, conforme esquematicamente mostrado na Figura A. A seguir, a esfera do centro é afastada das outras duas e só após o bastão é afastado, como mostrado na Figura B. A respeito do descrito são feitas as seguintes afirmações: I. Os fios de cabelo da garota adquirem cargas elétricas de mesmo sinal e por isso se repelem. II. O clima seco facilita a ocorrência do fenômeno observado no cabelo da garota. III. A garota conseguiria o mesmo efeito em seu cabelo, se na figura sua mão apenas se aproximasse da esfera de metal sem tocá-la. Está correto o que se lê em a) I, apenas. b) I e II, apenas. c) I e III, apenas. d) II e III, apenas. e) I, II e III. 14. (Pucsp 2001) Leia com atenção a tira do gato Garfield mostrada a seguir e analise as afirmativas que se seguem. Após afastar o bastão e com as esferas em equilíbrio eletrostático: a) a esfera 1 ficou com um excesso de cargas positivas, a esfera 2 ficou neutra e a esfera 3 ficou com um excesso de cargas negativas. b) a esfera 1 ficou com um excesso de cargas negativas e as esferas 2 e 3 ficaram, cada uma, com um excesso de cargas positivas. c) a esfera 1 ficou com um excesso de cargas positivas e as esferas 2 e 3 ficaram, cada uma, com um excesso de cargas negativas. d) a esfera 1 ficou com um excesso de cargas negativas e cada uma das esferas 2 e 3 ficou neutra. e) a esfera 1 ficou com um excesso de cargas negativas, a esfera 2 ficou neutra e a esfera 3 ficou com um excesso de cargas positivas. 13. (Pucsp 2006) A mão da garota da figura toca a esfera eletrizada de uma máquina eletrostática conhecida como 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. Anglo Itatiba Página 10
e) apenas I. 15. (Fuvest 1997) Quando se aproxima um bastão B, eletrizado positivamente, de uma esfera metálica, isolada e inicialmente descarregada, observa-se a distribuição de cargas representada na Figura 1. Mantendo o bastão na mesma posição, a esfera é conectada à terra por um fio condutor que pode ser ligado a um dos pontos P, R ou S da superfície da esfera. Indicando por ( ) o 18. (G1 1996) De acordo com os últimos estudos sobre o núcleo dos átomos, os prótons e os neutrons são formados por três QUARKS. O próton é formado por um quark "d" e dois quarks "u", enquanto que o nêutron é constituído de dois "d" e um "u". Determine qual deve ser a carga elétrica de cada tipo de quark de maneira que o próton fica com a carga + 1 e que a carga de nêutron seja 0. sentido do fluxo transitório ( ) de elétrons (se houver) e por (+), (-) ou (0) o sinal da carga final (Q) da esfera, o esquema que representa e Q é 19. (Fuvest 1993) Dispõe-se de uma placa metálica M e de uma esferinha metálica P, suspensa por um fio isolante, inicialmente neutras e isoladas. Um feixe de luz violeta é lançado sobre a placa retirando partículas elementares da mesma. As figuras (1) a (4) adiante, ilustram o desenrolar dos fenômenos ocorridos. 16. (Unesp 1996) De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a existência de 12 quarks na natureza, mas só dois tipos formam os prótons e nêutrons, o quark up (u), de carga elétrica positiva, igual a 2/3 do valor da carga do elétron, e o quark down (d), de carga elétrica negativa, igual a 1/3 do valor da carga do elétron. A partir dessas informações, assinale a alternativa que apresenta corretamente a composição do próton e do nêutron. (I) Próton. (II) Nêutron a) (I) d, d, d, (II) u, u, u b) (I) d, d, u, (II) u, u, d c) (I) d, u, u, (II) u, d, d d) (I) u, u, u, (II) d, d, d e) (I) d, d, d, (II) d, d, d afirmar que na situação (4): a) M e P estão eletrizadas positivamente. b) M está negativa e P neutra. c) M está neutra e P positivamente eletrizada. d) M e P estão eletrizadas negativamente. e) M e P foram eletrizadas por indução. Podemos 20. (Unesp 1991) Em 1990 transcorreu o cinquentenário da descoberta dos "chuveiros penetrantes" nos raios cósmicos, uma contribuição da física brasileira que alcançou repercussão internacional. [O Estado de São Paulo, 21/10/90, p. 30]. No estudo dos raios cósmicos são observadas partículas chamadas "píons". Considere um píon com carga elétrica + e se desintegrando (isto é, se dividindo) em duas outras partículas: um "múon" com carga elétrica + e e um "neutrino". De acordo com o princípio da conservação da carga, o "neutrino" deverá ter carga elétrica a) + e b) - e c) + 2e d) - 2e e) nula 17. (G1 1996) Qual é a carga elétrica de um corpo que possui 2.980 prótons e 3.010 elétrons? (carga de próton = +1) Anglo Itatiba Página 11
GABARITO Resposta da questão 1: [E] Na eletrização por atrito ocorre transferência de elétrons de um corpo para o outro, ficando ambos eletrizados com cargas de sinais opostos. Resposta da questão 2: [B] A bexiga é de material isolante. O excesso de cargas fica retido na região atritada. Esse excesso de cargas induz cargas de sinais opostos na superfície da parede, acarretando a atração. Resposta da questão 3: [A] Para que um corpo seja eletrizado, por qualquer processo, ele deve ganhar ou perder elétrons, havendo, então, um desequilíbrio entre o número de prótons (cargas positivas) e o número de elétrons (cargas negativas). Resposta da questão 4: [B] Quando são atritados dois corpos isolantes, eles adquirem cargas de mesmo módulo e de sinais opostos. Portanto, somente a afirmativa II está correta. Resposta da questão 5: [B] I. Correta: haverá indução; II. Errada: para haver blindagem, o material deve ser condutor; III. Errada: a carga distribui-se por todo o material condutor; IV. Correta: haverá indução. Resposta da questão 6: 01 + 02 + 04 = 07 01) Correto. A carga total deve ser nula. 02) Correto. Por convenção os prótons são positivos. 04) Correto. A aproximação de um corpo carregado positivamente atrai os elétrons para uma das extremidades deixando prótons sobrando na outra. A aproximação de um corpo carregado negativamente repele os elétrons para uma das extremidades deixando prótons sobrando na outra. 08) Errado. Não há deslocamento de elétrons, mas alinhamento dos dipolos elétricos com o campo elétrico gerado pelo indutor. 16) Errado. Prótons não se deslocam. Início 0 0 0 Q Contato d-a Q/2 0 0 Q/2 Contato d-b Q/2 Q/4 0 Q/4 Contato d-c Q/2 Q/4 Q/8 Q/8 Final Q/2 Q/4 Q/8 Q/8 Resposta da questão 8: [B] Resposta da questão 9: V V F V V Resposta da questão 10: [E] Resposta da questão 11: [C] Resposta da questão 12: [E] Resposta da questão 13: [B] Resposta da questão 14: [C] Resposta da questão 15: [E] Resposta da questão 16: [C] Resposta da questão 17: - 30 Resposta da questão 18: μ = +2/3 e d = -1/3 Resposta da questão 19: [A] Resposta da questão 20: [E] Resposta da questão 7: 02 + 04 + 16 = 22 A tabela a seguir apresenta as cargas das esferas do início ao fim do processo. a b c d Anglo Itatiba Página 12