CONDUTORES E ISOLANTES Prof. Dr. Gustavo A. Lanfranchi Tópicos de Física, Eng. Civil 2018
Condutores e isolantes O que são materiais condutores e isolantes elétricos? Quais são as principais propriedades desses materiais? O que são os processos de eletrização? Quais são os principais processos de eletrização e quais são suas características básicas? 2
Condutores e isolantes Normalmente, os materiais são classificados em condutores e isolantes elétricos, de acordo com a capacidade de conduzir carga elétrica. Condutores elétricos são materiais dentro dos quais cargas elétricas se movem livremente e isolantes elétricos são aqueles nos quais as cargas não se movem. Materiais como vidro, borracha e madeira são isolantes elétricos. Quando esfregados, são eletrizados apenas naquela região, pois a carga não se desloca pelo material. Por outro lado, cobre, alumínio e prata são bons condutores. Quando carregados em uma pequena região, a carga rapidamente se espalha por toda a superfície do material. 3
Condutores e isolantes As principais características dos condutores são: corpos que permitem a condução de cargas elétricas, são constituídos de materiais cujos átomos têm facilidade de doar elétrons, metais: excelentes condutores (cobre, ouro, platina, alumínio, por exemplo), os elétrons mais afastados dos núcleos estão fracamente ligados a estes e podem se movimentar facilmente; tais elétrons são chamados elétrons livres, Terra: se comporta como um grande condutor esférico eletrizado negativamente com carga avaliada em -580,0 kc. 4
Condutores e isolantes Isolantes (ou dielétricos): corpos que dificultam a condução de cargas; apresentam limitações se forem submetidos a uma força elétrica elevada; nesse caso, os elétrons mais externos tenderão a sair do átomo, fazendo com que ele se comporte como um condutor ruptura dielétrica. 5
Condutores e isolantes Há, ainda, uma categoria de materiais chamados semicondutores. Possuem propriedades intermediárias entre a dos condutores e isolantes. Silício e germânio são semicondutores comumente usados na fabricação de vários produtos eletrônicos. As suas propriedades elétricas podem ser modificadas várias ordens de magnitude pela adição de certos átomos a esses materiais. 6
Condutores e isolantes Exercício 1: uma pessoa em pé sobre um banco isolado toca um condutor também isolado, mas carregado. Haverá descarga completa do condutor? Quando um condutor é conectado à Terra através de um fio condutor, diz-se que ele está aterrado. A Terra pode ser considerada um ralo infinito para o qual cargas elétricas podem facilmente se transferir. Nesse caso, as cargas são transferidas por indução, mas há uma série de outras maneiras para se transferir carga elétrica. 7
Processos de Eletrização Um material pode ser eletrizado pelos seguintes processos: Atrito, condução ou contato, indução, aquecimento, pressão. Mas como ocorre a eletrização? Através do movimento dos elétrons! Objetos são formados por átomos (em geral eletricamente neutros). Como a carga de cada átomo é nula, a carga elétrica total do material também será nula e diremos que o corpo está eletricamente neutro. No entanto, é possível transferir elétrons de (para) um objeto, por meio dos processos acima, deixando-o com um excesso ou falta de elétrons (o corpo está eletrizado). 8
Processos de Eletrização Eletrização por atrito Objetos neutros de natureza distintas ao serem esfregados adquirem carga elétrica positiva ou negativa. Um material, ao sofrer atrito, não adquire sempre o mesmo tipo de carga (positiva ou negativa), depende do material que se está usando na operação. 9
Processos de Eletrização Eletrização por condução ou contato. Quando um corpo carregado eletricamente entra em com um neutro, carga é transferida e ambos ficam eletrizados com o mesmo tipo de carga após serem separados. Se os dois corpos possuem mesma forma e tamanho, a carga final Qf de cada um será: Qf,A= Qi,A /2 e Qf,B= Qi,A /2. 10
Processos de Eletrização Eletrização por indução. Ao aproximar, sem encostar, um corpo eletrizado A de um neutro B, induz-se um acúmulo de cargas elétricas de sinal oposto ao de A na superfície de B mais próxima ao corpo A. 11
Processos de Eletrização Eletrização por aquecimento (ou efeito piroelétrico). Certos corpos eletrizam-se ao serem aquecidos, apresentando cargas elétricas de sinais opostos em dois pontos diametralmente opostos. Comum em cristais (por exemplo, turmalina). Eletrização por pressão (ou efeito piezoelétrico). Certos corpos eletrizam-se ao serem comprimidos, apresentando cargas elétricas de sinais opostos em dois pontos diametralmente opostos. Curiosidade: se a polarização depender da pressão imposta ao cristal piezoelétrico, pode-se construir sensores (mede-se a d.d.p. das extremidades). Detector de ondas gravitacionais Mário Schemberg 12
Processos de Eletrização Exercício 2: é possível carregar um material isolante por indução? Não. Porque não existe um movimento real de cargas elétricas no seu interior. Na presença de materiais carregados, as nuvens de elétrons são deformadas dando origem a uma pequena separação de cargas elétricas (polarização). 13
Processos de Eletrização Exercício 3: considere duas esferas metálicas idênticas A e B, com cargas elétricas Q e -2Q, respectivamente. Qual a carga elétrica da esfera A após as duas serem colocadas em contato? Q QA,f 2 Exercício 4: (PUC) os corpos eletrizados por atrito, contato e indução ficam carregados respectivamente com cargas de sinais: a. Iguais, iguais e iguais R: e). b. Iguais, iguais e contrários c. Contrários, contrários e contrários d. Contrários, iguais e iguais e. Contrários, iguais e contrários 14
Processos de Eletrização Exercício 5: duas esferas de metal são montadas em suporte portátil de material isolante. Invente um modo de carregá-las com quantidades de cargas iguais e de sinais opostos usando uma barra de vidro ativada com seda sem tocar nas esferas. É necessário que as esferas sejam de mesmo tamanho para o método funcionar? Exercício 6: leia atentamente as três afirmações abaixo sobre carga elétrica. I Há dois tipos de carga elétrica na natureza, positivas e negativas. Algumas substâncias possuem só as negativas e outras possuem somente as positivas. II A carga elétrica é quantizada, isto é, ela é sempre um múltiplo inteiro da carga elétrica fundamental. III Cargas elétricas de sinais iguais exercem força de repulsão entre si e cargas elétricas de sinais opostos exercem força de atração entre si. IV Cargas elétricas podem ser criadas a partir de processos de eletrização com indução, contato e outros. R: II e III 15
Processos de Eletrização Exercício 7: normalmente, os materiais são classificados em condutores e isolantes elétricos, de acordo com a sua capacidade de conduzir carga elétrica. A partir dessa divisão pode-se dizer: I Isolantes são corpos que dificultam a condução de cargas, pois apresentam tanto elétrons quanto prótons livres. II Os materiais condutores são facilmente carregados com carga elétrica negativa pois possuem um grande número de prótons livres que podem ser perdidos sem dificuldade. III Os elétrons livres estão presentes em materiais condutores que, por isso, conduzem eletricidade facilmente R: III Exercício 8: corpos podem ser eletrizados (carregados eletricamente) por vários tipos de processos. Entre eles, pode-se destacar a indução de cargas elétricas. Nesse processo: I corpos isolantes neutros adquirem cargas elétricas positivas ao serem colocados em contato, devido ao movimento dos prótons. II - um isolante carregado eletricamente é colocado próximo de um corpo neutro, carga é transferida e ambos ficam eletrizados com mesma carga após serem separados. III um corpo carregado eletricamente se aproxima de outro gerando um acúmulo de carga elétricas, de sinais opostas ao do primeiro corpo, na sua superfície. R: III 16
Lista de exercícios 1) Sobre condutores e isolantes elétricos, pode-se afirmar que: I Isolantes são corpos que dificultam a condução de cargas, pois apresentam tanto elétrons quanto prótons livres. II Os materiais condutores são facilmente carregados com carga elétrica negativa pois possuem um grande número de prótons livres que podem ser perdidos sem dificuldade. III Os elétrons livres estão presentes em materiais condutores que, por isso, conduzem eletricidade facilmente. É correto o que se afirma apenas em: a) I b) III c) II e III d) I e II e) I, II e III R. b) 2) Em uma instalação elétrica residencial, um chuveiro sem fio terra é carregado com cargas elétricas devido a uma descarga elétrica. Uma pessoa em pé sobre um banco isolado encosta no chuveiro. Ele será completamente descarregado? R. Não. Haverá apenas uma redistribuição da carga entre o chuveiro e a pessoa, que estão isolados. 17
Lista de exercícios 3) Leia atentamente as três afirmações abaixo sobre processos de eletrização. I - Ao aproximar, sem encostar, um corpo eletrizado A de um corpo neutro B, induz-se um acúmulo de cargas elétricas de mesmo sinal ao de A na superfície de B mais próxima ao corpo A. II - Quando um corpo carregado eletricamente entra em contato com um corpo neutro, carga é transferida e ambos ficam eletrizados após serem separados. III - Um material, ao sofrer atrito, é sempre carregado com carga elétrica negativa. É correto o que se afirma apenas em: a) I b) I e II c) II d) I e III e)todas estão corretas. R. c) 4) No processo de eletrização por indução de cargas elétricas: I corpos isolantes neutros adquirem cargas elétricas positivas ao serem colocados em contato, devido ao movimento dos prótons. II - um isolante carregado eletricamente é colocado próximo de um corpo neutro, carga é transferida e ambos ficam eletrizados com mesma carga após serem separados. III um corpo carregado eletricamente se aproxima de outro gerando um acúmulo de cargas elétricas, de sinais opostas ao do primeiro corpo, na sua superfície. É correto o que se afirma apenas em: a) I b) I e II c) II e III d) I e III e) III R. e) 18
Lista de exercícios 5) Corpos eletrizados por indução, contato e atrito ficam carregados respectivamente com cargas de sinais: a) iguais, iguais e iguais. b)iguais, iguais e contrários. c)contrários, iguais e contrários. d)contrários, iguais e iguais. e)contrários, contrários e contrários. R. c) 6) Duas barras condutoras idênticas A e B possuem cargas elétricas 3Q e -4Q, respectivamente. Qual a carga elétrica da barra A após as duas serem colocadas em contato? R. Q/2 7) No processo de eletrização por condução: I um condutor carregado eletricamente entra em contato com um corpo neutro, transferindo parte de sua carga para este que ficará carregado com carga de mesmo sinal que o primeiro corpo. II - um corpo carregado eletricamente se aproxima de outro gerando um acúmulo de carga elétricas, de de mesmo sinal ao do primeiro corpo, no seu interior. III um condutor carregado eletricamente entra em contato com um corpo neutro, atraindo as cargas desse corpo para si deixando os dois com cargas opostas. É correto o que se afirma apenas em: a) I b) I e II c) II e III d) I e III e) III 19 R. a)
Lista de exercícios 8) Leia atentamente as três afirmações abaixo sobre processos de eletrização. I - Ao aproximar, sem encostar, um corpo eletrizado A de um corpo neutro B, induz-se um acúmulo de cargas elétricas de sinal oposto ao de A na superfície de B mais próxima ao corpo A. II - Quando um corpo carregado eletricamente entra em contato com um corpo neutro, carga é transferida e ambos ficam eletrizados com carga de mesmo sinal após serem separados. III - Um material, ao sofrer atrito, é sempre carregado com carga elétrica negativa. Assinale a alternativa correta. a) Apenas I está correta. b) Apenas I e II estão corretas. c) Apenas II está correta. d) Apenas I e III estão corretas. e) Todas estão corretas. R. b) 9) Um condutor A eletricamente negativo é utilizado para eletrizar, por indução eletrostática, um outro condutor B, inicialmente eletricamente neutro e conectado à Terra. O que é correto afirmar sobre o corpo B nessas condições? a)o corpo B ficou negativo, pois elétrons da Terra são absorvidos pelo corpo. b)o corpo B ficou negativo, pois prótons do corpo foram absorvidos pela Terra. c)o corpo B ficou positivo, pois elétrons do corpo foram absorvidos pela Terra. d)o corpo B ficou positivo, pois prótons da Terra foram absorvidos pelo corpo. e)o corpo B ficou positivo, pois elétrons da Terra foram absorvidos pelo corpo R. c) 20