1 FÍSICA ELETROSTÁTICA
2 CONTEÚDOS: O Átomo e suas propriedades; Carga elétrica. Campo Elétrico. Lei de Coulomb e a Força Elétrica.
3 O ÁTOMO E SUAS PROPRIEDADES O átomo é a menor partícula constituitiva da matéria. Existem vários tipos de átomo que diferem entre si quanto ao número de prótons e nêutrons. Aos diferentes átomo encontrados na natureza chamamos de elementos químicos e estes elementos estão agrupados na chamada Tabela Periódica. Constituição de um átomo: Os átomos são constituídas de três particulas elementares prótons, nêutrons e ellétrons - distribuídas em duas regiões: núcleo e eletrosféra. No núcleo temos os prótons que são particulas com carga positiva (p+) e os nêutrons (n) desprovidos de carga elétrica. Na eletrosfera temos os elétrons com carga negativa (e-). A massa do átomo está praticamente toda concentrada no núcleo. Os elétrons possuem massa despresível. Hoje sabemos que os átomos não são mais indivisíveis mais podem ser fragmentados em particulas menosres nos aceleradores de partículas. Hoje também já se consegue enchergar o átomo e até manipulá-lo um a um. Em eletrostática e eletrodinâmica a partícula de interesse é o eletron, pois seu movimento da origem as correntes elétricas (passa na instalação elétrica de suas casae possibilita o funcionamento dos eletrodomésticos, por exemplo).
4 CARGA ELÉTRICA Q Carga elétrica (representada pela letra Q) é uma propriedade física fundamental das partículas atômicas. É carga elétrica que determina todas as interações elétricas entre os corpos. As menores cargas elétricas que existem são dos protons e dos elétrons. Prótons são cargas elétricas positivas; Elétrons são cargas elétricas negativas; Cargas elétricas iguais se repelem e cargas elétricas diferentes se atraem. Então podemos dizer que prótons e eletrons se atraem. Mas porque os prótons ficam juntos no núcleo e os elétrons não caem no núcleo? A unidade de carga elétrica no SI (Sistema Internacional de Unidades) é chamada Coulomb. A carga elétrica fundamental do próton e do elétron tem o memo valor numérico mas, como vimos, sinais diferentes: Qe = - 1,6 x 10-19 C. Qp = + 1,6 x 10-19 C. O átomo isolado é eletricamente neutro, ou seja, possui o mesmo número de prótons e elétrons. Porém em algumas situações (quando está agrupado para formar molléculas) ele pode perder elétrons ficando com mais cargas positivas (cátion) ou ganhar elétrons ficando com carga negativa (ânion). Sabemos que os corpos que nos rodeiam são contituidos de uma infinidade de átomos. De modo geral a maioria dos corpos são elétricamente neutros, mas os átomos que constituem determinados corpos podem ganhar ou perder eletrons. Quando isso acontece dizemos que estes corpos estão eletrizados. Calculamos a carga elétrica, em Coulombs, de um corpo com n partículas (prótons ou elétrons) com a seguinte relação. Q = ± n.e onde e = 1,6 x 10-19C.
5 Aplicação: 1) Calcule o número de elétrons excedentes nos átomos de um corpo eletrizado, cuja carga (medida) é de Q = 2C. 2) Complete: Dois corpos com carga negativa se... Dois corpos com carga oposta se... Dois corpos com carga positiva se... 3) Sobre o átomo é correto afirmar: I Na eletrosfra encontramos os prótons; II A maio parte da massa do átomo está na eletrosfera; III Átomos eletricamente carregados possuem excesso ou falta de eletrons. IV - Praticamente toda massa do átomo está no núcleo. São corretas as alternativas: a) I, II b) II e III c) III e IV d) Somente a III. ELETRIZAÇÃO DOS CORPOS Eletrização é o processo (natural ou provocado) pelo qual transferência de cargas entre os corpos. Portanto ficam com falta, excesso ou equilíbrio de cargas. A eletrização é responsável por fenômenos naturais como os raios. São também fenômenos relevantes em questões de engenharia (acumulo de cargas estáticas). Há três tipos de eletrização: por atrito ou fricção, por indução e por contato. Eletrização por atrito: É a eletrização verificada quando friccionamos dois corpos, que ficam ao final, com cargas elétricas opostas. Eletrização por contato: Eletrização que ocorre quando um corpo eletrizado carrega um corpo neutro. Ao final os dois corpos ficam com a mesma carga. Eletrização por Indução: Eletrização que ocorre quando um corpo carregado, chamado indutor, induz uma separação de carga elétrica em um corpo inicialmente neutro (induzido). O induzido permanece eletrizado desde que o indutor esteja próximo
6 Existem matérias que perdem elétrons com mais facilidade (eletro positividade) e outros materiais que ganham elétrons com mais facilidade. A relação destes matérias encontra-se na série triboelétrica. Os materiais situados no topo da série são os mais negativos, ou seja, ganham elétrons com facilidade, enquanto que na base situam-se os mais positivos. Aterramento: Aterramento é a ligação do corpo carregado a terra. A superfície da Terra pode atuar tanto como fornecedora ou absorvedora de cargas elétricas. Assim um corpo eletrizado, ligado a superfície, com um fio condutor perdera ou recebera cargas tendendo a ficar neutro. Aparelho eletrodomésticos eletro-eletrônicos costumam ser aterrados como medida de segurança (proteção contra choques elétricos e/ ou evitar queima de circuitos). CAMPO ELÉTRICO Campo elétrico é a região do espaço ao entorno de uma carga elétrica no qual é sentida a força elétrica, ou seja, uma carga de prova q (carga pontual) sentira a presença de uma carga Q. Os campos elétricos são definidos pelas linhas de campo elétrico. Tanto cargas positivas quanto negativas formam um campo elétrico. Observe as figuras: Podemos observar (figura ao lado) que as linhas de campo elétrico saem de
7 uma carga positiva e entram em uma carga negativa Quando cargas elétricas de mesmo sinal se aproximam suas linhas de campo se repelem e cargas elétricas de mesmo sinal se etraem. As linhas de campo elétrico são semelhantes às linhas de campo magnético (que pode ser observado facilmente com um imã e limalha de ferro). Porém ao contrário das cargas não podemos ter pólos magnéticos isolados. FORÇA ELÉTRICA (F e ) E LEI DE COULOMB Vimos que cargas elétricas interagem entre si. Cargas de mesmo sinal se repelem e de mesmo sinal se atraem. Se as cargas atraem ou repelem umas as outras fica evidente a manifestação de forças entre as cargas. Relembrando o conceito de força (F) Força é propriedade que os corpos têm de alterar o estado de repouso ou movimento de outros corpos. Assim temos o surgimento de forças quando dois ou mais corpos interagem entre si. Representamos a grandeza física força (grandeza vetorial, pois possui módulo, direção e sentido) pela letra F e sua unidade é o Kg. m/s² que recebe o nome especial de Newton (N) em homenagem a Isaac Newton. Tipos de forças: Forças de contato: Há contato físico entre os corpos que interagem exercem forças. Isaac Newton
8 Forças de ação a distância ou forças de campo: As forças se manifestam se haver contato físico entre os corpos que trocam forças. São exemplos de forças de campo: Força Gravitacional (entre massas), Força Magnética (entre imãs e metais ferromagnéticos) e a Força Elétrica. Soma de forças- Força Resultante F R : As forças, sendo grandezas vetoriais, podem ser somadas: F R = F 1 + F 2 + F n onde n representa as n forças atuando sobre o corpo. Chamamos a soma das forças que atuam sobre um corpo de Força Resultante F R. Força Elétrica F e A força de interação entre duas ou mais cargas elétrica chama-se força elétrica F e. Entre cargas de mesmo sinal a força será do tipo repulsivo e entre cargas de sinais contrários será atrativa como mostrado na figura ao lado. As forças elétricas entre duas cargas interagindo tem mesmo módulo (forças de ação reação), ou seja: Lê se: F 12 = -F 21 F 12 é a força que a carga 2 exerce sobre a carga 1. F 21 é a força que a carga 2 exerce sobre a carga 1.
9 Lei de Coulomb - Cálculo de Intensidade de Força Elétrica F e A intensidade da força elétrica é determinada pela Lei de Coulomb, em homenagem a seu idealizador - Charles Augustin de Coulomb. A Lei de Coulomb: A intensidade da força de atração ou repulsão entre duas cargas elétrica é proporcional a intensidade das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as duas cargas. A formalização matemática da Lei de Coulomb: Onde: k = 9 x 10 9 N.m² /C² é a constante dielétrica do vácuo; q 1 e q 2 são os módulos das cargas elétricas em C; d é a distância entre as duas cargas em metros (m). Exemplo: Determine a intensidade da força elétrica de atração entre duas cargas elétricas q 1 = +1 x 10-6 C e q 2 = -2 x 10-6 C colocadas a uma distância de 10 cm uma da outra. Dados: q 1 = +1 x 10-6 C q 2 = -2 x 10-6 C d 12 = 0,10 m (devemos converter a distância para metros) R: A intensidade da força entre as duas cargas é de 1,8 N.
10 EXERCÍCIOS 1) Determine a força elétrica entre os pares de cargas fornecidos (considere 9 x 10 9 N.m²/C²). a) q 1 = 1 x 10-9 C e q 2 = 2 x 10-6 C d = 10cm; b) q 1 = 2 x 10-6 C e q 2 = 5 x 10-6 C d = 10cm; c) q 1 = 1 x 10-9 C e q 2 = 2 x 10-6 C d = 10cm; 2) Determine a força total de repulsão sobre uma carga elétrica positiva fixa q 1 = + 2 x 10-6 C e duas cargas negativas q 2 = - 1 x 10-6 C e q 3 = - 3 x 10-6 C, também fixas, distantes respectivamente a 10cm e 20cm da carga positiva. (considere 9 x 10 9 N.m²/C²).