Eletricidade

Introdução à eletricidade

O âmbar, resina sólida fossilizada das árvores, provavelmente possibilitou as primeiras experiências científicas que o ser humano realizou. Quando se esfrega

um pedaço de âmbar com pele de animal ou com um pedaço de lã, ele se torna capaz de atrair objetos leves, como esta pena. Essa atração, estranha propriedade adquirida pelo âmbar (elektron, em grego), foi a origem de uma nova ciência - a eletricidade.

A carga elétrica e a eletrização

Desde o estudo da termodinâmica, a física voltou-se predominantemente ao mundo microscópico, aos fenômenos cuja natureza reside na existência e nas características e propriedades das partículas elementares.

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Inacessíveis à observação direta, elas são detectadas indiretamente pelas pistas ou traços deixados em grandes máquinas, onde são produzidos os mais diferentes ensaios experimentais, orientados por hipóteses teóricas.

Partículas elementares

O átomo foi a primeira partícula elementar que a física admitiu existir. Elementar quer dizer "último, indivisível, que não existe nada menor". Por essa razão, à medida que foram descobertos outros componentes "elementares" do átomo ou da matéria, como elétrons, prótons, nêutrons, pósitrons, mésons, píons, neutrinos e muitos outros, o termo elementar passou a perder o sentido. Na década de 1960, as pesquisas levaram os físicos a concluir que deveriam existir cerca de duzentas partículas "elementares"; é difícil acreditar que existam tantas partículas últimas e indivisíveis. Essa situação desconfortável só se tornou mais bem compreendida em 1966, quando foi proposta a existência dos quarks, reduzindo em muito o número de partículas "elementares" e recuperando, até certo ponto, o sentido original da palavra elementar.

As colisões e a física moderna

Colisões são choques entre corpos quaisquer - tanto podem ser bolas de bilhar, como partículas subatômicas. Em qualquer tipo de colisão, na ausência de forças externas ou quando a ação dessas forças for desprezível, a quantidade de movimento total se conserva. A energia cinética, porém, pode ou não se conservar.

O estudo das colisões é de grande interesse na física moderna como forma de detectar a estrutura do átomo e das partículas subatômicas. Para isso, feixes de partículas de alta energia, em geral, elétrons ou prótons, são lançados como projéteis em direção a um alvo que contém átomos, núcleos ou outras partículas a serem exploradas. Quanto maior a energia desses feixes, mais profundamente eles penetram na estrutura subatômica, provocando colisões

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A forma como essas partículas interagem pode ser observada pelos traços de ocorrem, como as câmaras de bolhas. A foto mostra um modelo simplificado, utilizado tanto para pesquisas como para fins didáticos.

Câmara de bolhas simples.

No topo dessa câmara, no recipiente cilíndrico transparente, são colocadas tiras de feltro embebidas em álcool enquanto a parte inferior é resfriada com "gelo-seco" (dióxido de carbono). O resfriamento produzido no interior da câmara, devido à sublimação do dióxido de carbono, faz com que o vapor de álcool se condense em pequenas gotículas que se formam em torno das partículas que atravessam a câmara, tornando-as visíveis.

Os resultados obtidos a partir dessas colisões aparecem na forma de rastros, que são fotografados e estudados posteriormente. Veja a foto ao lado.

Rastros de uma colisão de partículas numa câmara de bolhas.

Esses rastros nos permitem estudar o comportamento das partículas do mundo subatômico. A partir desse estudo os físicos concluíram que a realidade do mundo subatômico é bem diferente da que estamos acostumados a observar. Além de serem comuns as colisões elásticas, que não existem na nossa experiência cotidiana, as colisões inelásticas não apresentam apenas perda de energia cinética - há colisões inelásticas em que a energia cinética aumenta! Isso ocorre quando a colisão provoca a conversão da massa de repouso de uma ou mais partículas em energia cinética. Isso faz com que, em muitas colisões, partículas incidentes desapareçam e novas partículas apareçam, como se viessem do nada.

No estudo da termodinâmica, o mais importante é o comportamento coletivo, estatístico, de átomos e moléculas. Na eletricidade a vinculação com o mundo microscópico é ainda maior. A eletricidade reside em partículas que compõem o átomo, ou melhor, na carga elétrica, propriedade de algumas partículas elementares, cuja compreensão e aplicação se ampliam dia a dia, embora a natureza intrínseca dessa propriedade talvez demore a ser compreendida.

Os fenômenos de natureza elétrica são conhecidos há séculos. O termo eletricidade se origina da palavra elektron, nome grego do âmbar, resina que se petrifica séculos depois de secretada por algumas árvores. Fragmentos de âmbar, quando esfregados com a pele de algum animal, adquirem a propriedade de atrair pequenos corpos como penas, pedaços de pergaminho ou folhas. Aliás, o ato de esfregar um corpo contra o outro foi a primeira forma eficiente utilizada pelo ser humano para produzir eletricidade.

Eletrizar um corpo é dotá-lo de eletricidade. O que isso significa e a explicação desse processo dependem da nossa compreensão da estrutura elementar da matéria.

Desde os antigos gregos até os nossos dias, sempre houve a convicção de que a eletricidade é uma propriedade da matéria - afinal, são as ações que exercemos sobre a matéria que fazem essa propriedade aparecer. As hipóteses sobre a natureza da eletricidade foram muitas, mas só a partir de meados do século XIX elas foram capazes de contribuir para o melhor conhecimento do fenômeno.

A ideia do átomo como constituinte elementar da matéria tornou-se definitivamente aceita desde o início do século XX. E, com ela, a convicção de que a eletricidade é uma propriedade de partículas elementares que compõem o átomo: os elétrons, partículas que contêm a carga elementar negativa, dispostos em camadas que se assemelham a nuvens envolvendo o núcleo do átomo, e os prótons, partículas de carga elétrica positiva, localizados no núcleo.

Mais recentemente, no final da década de 1960, foi proposta a existência de seis pares de partículas elementares dotadas de carga elétrica -os quarks, que compõem outras partículas como os prótons, que, portanto, deixaram de ser elementares |.

Embora não saibamos o que seja carga elétrica, conhecemos suas inúmeras características e propriedades:

• A carga elétrica se conserva, isto é, a carga elétrica total de um sistema eletricamente isolado é constante (afirmação conhecida também como Princípio da Conservação da Carga Elétrica) e é quantizada, isto é, seu valor é múltiplo do valor da carga elétrica elementar - a carga e do elétron.

•  Existem dois tipos de carga elétrica, uma chama­da negativa e outra chamada positiva I.

•  Cargas elétricas de mesmo tipo repelem-se; de ti­pos diferentes atraem-se.

•  Em todo átomo, o número de elétrons é igual ao número de prótons, ou seja, todo átomo é eletricamente neutro #.

Há outras propriedades das cargas elétricas que serão abordadas ao longo do nosso estudo. Vamos nos restringir inicialmente àquelas que nos permite entender alguns fenômenos elementares, como os processos de eletrização.

Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
Dicas de Física e Super Interessantes

                                                     Sergio Torres

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