Carga elétrica e processos de eletrização

 

 A Eletrostática refere-se ao estudo das propriedades e do comportamento de cargas elétricas em repouso. A palavra provém do grego (elektron com statikos) cujo significado é estacionário, em repouso.

 Carga elétrica - O filósofo e matemático Tales (580 - 546 a.C.), a quem se atribui o início do estudo da eletricidade estática,

 observou que um pedaço de âmbar atraía pequenas sementes de grama, quando esfregado com pele de animal.

O médico inglês William Gilbert (1544 - 1603) iniciou um estudo mais cuidadoso na observação dos fenômenos elétricos.

Verificou que outros corpos podem ser eletrizados e, além disso, que há uma distribuição igualitária de cargas elétricas entre dois corpos eletrizados, que são postos em contato entre si, no equilíbrio eletrostático.

A partir dos anos 1600 do século atual, a busca do átomo se tornou um exercício experimental. Diversos cientistas notáveis, entre

            

 eles estão Robert Boyle, John Dalton, JJ Thomson, Ernest Rutherford e Niels Bohr.

Boyle realizou experimentos com raios catódicos (final do século XIX) cuja conseqüência foi a descoberta do elétron carregado negativamente e as origens das primeiras noções da estrutura destes átomos indivisíveis. Thomson propôs um modelo, sugerindo

 que o átomo tivesse uma estrutura semelhante a um pudim de ameixa, ou seja, um fluído com carga positiva (homogêneo e quase esférico) no qual as passas dispersas sobre o pudim de ameixa são comparados aos elétrons carregados negativamente imerso em uma geléia de carga positiva.

 Em 1911, depois de Thomson, Ernest Rutherford apresentou seu modelo atômico com um núcleo densamente composto de carga positiva e rodeado por elétrons carregados negativamente, semelhante ao nosso sistema planetário, com o Sol sendo o núcleo. 
Experimentalmente, Rutherford concluiu que o átomo era constituído de uma parte central positiva muito pequena, mas de grande massa que denominou de núcleo e uma parte envolvente negativa e relativamente enorme, a eletrosfera. A dimensão do núcleo que era anormalmente pequena em comparação com o real tamanho do átomo.

Em 1913, Neils Bohr aperfeiçoou o modelo nuclear de Rutherford, concluindo que os elétrons estavam presentes em órbitas fora do núcleo e que essas órbitas eram específicas de raio fixo, cada uma caracterizada por níveis energéticos bem definidos.

Finalmente, Erwin Schrodinger, Louis Victor de Broglie e Werner Heisenberg, reunindo os conhecimentos de seus predecessores e contemporâneos, acabaram por desenvolver uma nova teoria do modelo atômico, válida atualmente, com as seguintes características:

* Os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico e são fracamente ligados ao átomo..
 O núcleo atômico está localizado no centro do átomo e é constituído por prótons que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente 2.000 vezes superior a massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons.
As cargas do elétron e do próton são opostas e convencionou-se atribuir ao elétron carga negativa e ao próton, carga positiva. Essas cargas têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes, esse valor tem como símbolo e, denominado quantidade de carga elementar e de valor, em módulo e=1,6.10-19 C (coulomb (C), unidade de carga elétrica no sistema internacional SI).

A carga elétrica total de um corpo é uma grandeza quantizada, ou seja, ela é sempre múltiplo inteiro da carga elétrica elementar │e│=1,6.10-19C   ---  Q/│e│=n (número inteiro. Isso implicaria em afirmar que a carga elementar é a menor quantidade de carga encontrada na natureza, mas, 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. Um próton é formado por 2 quarks u e um d, implicando numa carga 2/3 + 2/3 -1/3=1. O nêutron é formado por dois d e um u tendo, portanto, carga nula.

 Submúltiplos do coulomb (C):

- 1 mC (milicoulomb) = 10-3C

- 1 μC (microcoulomb)= 10-6C

-1 nC (nanocoulomb)= 10-9C

- 1 pC (picocoulomb)=10-12C

 Como os elétrons são fracamente presos ao átomo e como estão nas camadas externas são eles que se deslocam. Num átomo neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se um átomo neutro ganhou elétrons ele está eletrizado com carga

 negativa (no elétrons>no prótons) e é denominado íon negativo. Se um átomo neutro perdeu elétrons ele está eletrizado com carga positiva (no elétrons<no prótons) e é denominado íon positivo.

 A eletrização de um corpo é semelhante à eletrização de um átomo.

* Em todo sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas elétricas é constante.

* Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas elétricas de sinais opostos se atraem.

* Condutores e isolantes

* Condutores – Os átomos dos metais (ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros), corpo humano, o solo, o ar úmido, etc. têm seus elétrons da última camada eletrônica fracamente unidos, e podem perdê-los com facilidade. Esses elétrons recebem o nome de elétrons livres.

  

Devido à facilidade de fornecer elétrons livres, esses corpos são chamados de condutores elétricos e usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos, pois são bons condutores do fluxo de elétrons livres.

Importante:

  Quando um condutor neutro (oco ou maciço) é eletrizado recebendo, por exemplo, elétrons, na região indicada nas figuras,  

esses elétrons em excesso se repelem e como o material é condutor (permitem a movimentação de elétrons livres) eles tendem a se deslocarem ficando o mais longe possível, que é sua superfície externa.

* Todo condutor eletrizado, quando ligado a terra se descarrega. Se ele estiver eletrizado com carga negativa, ao ser ligado à terra

 

(ou tocado com o dedo, pois o corpo humano é bom condutor elétrico), o excesso de elétrons se desloca para a terra, deixando-o neutro. Se ele estiver eletrizado com carga positiva, ao ser ligado à terra (ou tocado com o dedo), os elétrons da terra são atraídos para ele, descarregando-o. A Terra tem capacidade de descarregar qualquer corpo por ser praticamente neutra e muito grande.

*  Nas soluções líquidas condutoras os portadores de carga são os íons e nos gases são ionizados são os íons e os elétrons.

* Isolantes – os átomos de algumas substâncias como a madeira seca, a mica, o vidro, a cerâmica, o plástico, a borracha, o ar seco, etc. não permitem a passagem do fluxo de elétrons ou deixam passar apenas um pequeno número deles. Seus átomos têm

               

grande dificuldade em ceder ou receber os elétrons livres, pois estão fortemente unidos às últimas camadas eletrônicas. São os chamados materiais isolantes, usados para recobrir os fios, cabos e aparelhos elétricos.

Importante: Como os isolantes não permitem a movimentação de elétrons livres, neles, os elétrons não se deslocam e ficam na

 região onde foram colocados.

 

Processos de eletrização

 

Eletrização por atrito

 

* Na figura abaixo você dispõe de uma placa de vidro e de um pano de lã presos em suportes isolantes (para não descarregar),

ambos inicialmente neutros. Em seguida, são atritados (esfregados) e depois separados e isolados sem influência elétrica externa de outros corpos. Nessas condições, a quantidade de cargas elétricas (elétrons livres) que um cede é a mesma que o outro recebe, ou seja, o vidro cederá elétrons e adquirirá carga positiva +Q e a lã receberá elétrons e ficará com carga de mesmo módulo, mas negativa –Q.

* Para que ocorra eletrização por atrito os corpos atritados devem ser de materiais diferentes e a distribuição de cargas obedece à série triboelétrica abaixo.

Atritando quaisquer materiais dessa série, o que estiver à esquerda ficará com carga positiva e o da direita, negativa.

 

Eletrização por contato

 

* Pode ocorrer entre dois condutores (cargas elétricas se distribuem em suas superfície externas) ou entre um condutor e um isolante (no isolante as cargas elétricas ficam somente no local do contato).

Considere um condutor A eletrizado com carga positiva (QA=+Q) e outro condutor B, eletricamente neutro (QB=0) presos a suportes isolantes (para que não descarreguem), inicialmente separados. Quando são colocados em contato, os dois se comportam como se fossem um único corpo e haverá uma distribuição de cargas nas superfícies de A e de B.

Após essa distribuição de cargas são separados e A ficará com carga QA e B com carga QB’, tal que QA + QB’= +Q (princípio da conservação das cargas elétricas).

Observe que, se os condutores forem idênticos com as mesmas dimensões, você teria QA = QB’=Q’  ---  Q’ + Q’=+Q  --- 

Q’=Q/2

Se os dois corpos forem idênticos e estiverem inicialmente eletrizados com cargas QA e QB, após o contato eles terão cargas idênticas Q’ tal que Q’=(QA + QB)/2.

Exemplos:

Em todos os casos a seguir as esferas são idênticas, e após colocadas em contato são separadas e cada uma delas ficará com carga Q’:

a) QA=0 e QB=-8μC  ---  Q’=(QA + QB)/2=(0 - 8μ)/2  ---  Q’= -4μC

b) QA= 2C e QB=-6C  ---  Q’=(QA + QB)/2=(2 – 6)/2  ---  Q’= -2C

c) QA=6μC, QB=-8 μC e QC= 12 μC  ---  Q=(QA + QB + QC)/3=(6 μ -8 μ + 12 μ)/3  ---  Q’=(10/3) μC

 

Eletrização por indução

 

* Induzir eletricamente significa provocar uma separação de cargas, sem que haja contato.  Observe dois processos:

 Considere duas esferas condutoras, inicialmente descarregadas (neutras) e encostadas uma na outra (figura 1). Aproxima-se, sem encostar, uma terceira esfera condutora eletrizada com carga, por exemplo, negativa, deixando-a bem próxima das duas esferas (figura 2).

A esfera eletrizada provoca uma indução elétrica (movimentação de cargas) nas outras duas até que elas apresentem a distribuição indicada na figura 3.

Em seguida, sem tirar do lugar a esfera eletrizada, afasta-se um pouco uma esfera da outra. Finalmente, sem mexer mais nas esferas, remove-se a esfera eletrizada, levando-a para muito longe das esferas. Nessa situação final, as cargas se espalham ficando

na superfície externa de cada carga, ficando eletrizadas conforme a figura 4.

 Aproxima-se um condutor eletrizado, por exemplo, negativamente. (indutor) de um condutor neutro que se deseja eletrizar (induzido), sem encostar, mas bem próximos (figura 1).

Os elétrons livres do indutor serão repelidos, ficando o lado direito do induzido com excesso de elétrons e o lado esquerdo com falta de elétrons, fenômeno que recebe o nome de indução elétrica (figura 2). As cargas elétricas que se concentram nas duas extremidades opostas (denominadas cargas induzidas) são de mesmo módulo, mas de sinais opostos e, por esse motivo o induzido continua neutro. Em seguida, ainda na presença do indutor você liga o induzido à terra (fio terra ou com seu dedo) e observa que elétrons se deslocam do induzido para a terra. (figura 3). Afastando agora o indutor para bem longe, as cargas

 elétricas se repelem e espalham pela superfície externa do induzido, que fica eletrizado com cargas de sinal oposto ao do indutor (figura 4)

* Se o indutor tivesse cargas positivas, ao final de todo o processo o induzido ficaria eletrizado com cargas negativas.

 

Um corpo eletrizado pode atrair um corpo neutro

 

* Aproxima-se um condutor eletrizado, por exemplo, negativamente de um condutor neutro, sem encostar, mas bem próximos

(figura 1).Os elétrons livres do indutor serão repelidos, ficando o lado direito do induzido com excesso de elétrons e o lado esquerdo com falta de elétrons, fenômeno que recebe o nome de indução elétrica (figura 2). Observe na figura 2 que a força de atração entre as cargas negativas e positivas é maior que a força de repulsão entre as cargas negativas porque a distância entre as cargas que se atraem é menor e, quanto menor a distância entre cargas de mesmo módulo, maior a força entre elas.

Portanto, um corpo eletrizado pode atrair um corpo neutro, figura 3.

* É por esse motivo que, quando você passa o pente no cabelo e ao ficar eletrizado por atrito ele atrai pedacinhos de papel, que

estão neutros.

 

Eletroscópios

 

*  Eletroscópios – dispositivos que apenas indicam se um corpo está ou não eletrizado não fornecendo o sinal da carga e nem seu módulo. Destacam-se dois tipos:

 Pêndulo eletrostático – consta de uma pequena esfera de material condutor bem leve, suspensa por um fino fio de material

 isolante. Com a esfera do pêndulo inicialmente neutra, quando você aproxima ou encosta um corpo neutro, o pêndulo não se move. Se você aproximar, sem encostar um corpo eletrizado, ele provocará indução na esfera do pêndulo e ela será atraída.

 Se o corpo carregado encostar na esfera do pêndulo, ambos ficarão eletrizados por contato, com cargas de mesmo sinal e a esfera do pêndulo será repelida.

 Eletroscópio de folhas -  Trata-se do aparelho apresentado na figura abaixo. Observe atentamente cada elemento do mesmo.

Quando está neutro, as lâminas permanecem fechadas. Se você aproximar um corpo eletrizado com carga de qualquer sinal, sem encostar, as lâminas se abrem, pois o corpo eletrizado provoca uma indução fazendo surgir nas lâminas cargas elétricas de mesmo sinal que o seu, e na esfera, cargas de sinais opostos (figuras abaixo)

Se você afastar o corpo eletrizado as lâminas retornam à situação inicial, mas se você encostá-lo na esfera haverá eletrização por

 contato e as lâminas se abrirão.

 

O que você deve saber

 

 As cargas do elétron e do próton são opostas e convencionou-se atribuir ao elétron carga negativa e ao próton, carga positiva e essas cargas têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes; esse valor tem como símbolo e, denominado quantidade de carga elementar e de valor, em módulo e=1,6.10-19 C (coulomb (C), unidade de carga elétrica no sistema internacional SI).

 A carga elétrica total de um corpo é uma grandeza quantizada, ou seja, ela é sempre múltiplo inteiro da carga elétrica elementar │e│=1,6.10-19C   ---  Q/│e│=n (número inteiro.

 Submúltiplos do coulomb (C):

- 1 mC (milicoulomb) = 10-3C

- 1 μC (microcoulomb)= 10-6C

-1 nC (nanocoulomb)= 10-9C

- 1 pC (picocoulomb)=10-12C

 Devido à facilidade de fornecer elétrons livres, alguns corpos (a maioria dos metais) são chamados de condutores elétricos e usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos, pois são bons condutores do fluxo de elétrons livres.

 Quando um condutor neutro (oco ou maciço) é eletrizado recebendo, por exemplo, elétrons, esses elétrons em excesso se repelem e como o material é condutor (permitem a movimentação de elétrons livres) eles tendem a se deslocarem ficando o mais longe possível, que é sua superfície externa.

 Todo condutor eletrizado, quando ligado a terra se descarrega. Se ele estiver eletrizado com carga negativa, ao ser ligado à terra (ou tocado com o dedo, pois o corpo humano é bom condutor elétrico), o excesso de elétrons se desloca para a terra, deixando-o neutro. Se ele estiver eletrizado com carga positiva, ao ser ligado à terra (ou tocado com o dedo), os elétrons da terra são atraídos para ele, descarregando-o. A Terra tem capacidade de descarregar qualquer corpo por ser praticamente neutra e muito grande.

 Isolantes – os átomos de algumas substâncias como a madeira seca, a mica, o vidro, a cerâmica, o plástico, a borracha, o ar seco, etc. não permitem a passagem do fluxo de elétrons ou deixam passar apenas um pequeno número deles. Seus átomos têm

grande dificuldade em ceder ou receber os elétrons livres, pois estão fortemente unidos às últimas camadas eletrônicas. São os chamados materiais isolantes, usados para recobrir os fios, cabos e aparelhos elétricos.

Estudar detalhadamente os três processos de eletrização.

* Um corpo eletrizado pode atrair um corpo neutro, por indução (veja teoria).

* Estudar detalhadamente o pêndulo elétrico e o eletroscópio de folhas.

 

 

 

Exercícios