INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE
Este curso é o complemento do livro texto do curso de Física para o terceiro ano do ensino médio da escola estadual. Vamos muito além de reproduzir o livro, vamos complementá-lo com abordagem diferente e uma gama de exercícios maior. Além do suporte pelo grupo do telegram, na realidade dois grupos, um para exclusivo para alunos de colégios que dou aula e outro para todos os assinantes do canal www.youtube.com/fisicaseculo21 .
O âmbar (elektron, em grego), resina sólida fossilizada das árvores, provavelmente possibilitou algumas das primeiras experiências científicas que o ser humano realizou. Quando se esfrega um pedaço de âmbar em pele de animal ou em um pedaço de lã, ele passa a atrair objetos leves, como a pena que aparece na fotografia. Essa atração, estranha propriedade adquirida pelo âmbar, foi a origem de uma nova área da Física — a Eletricidade. 0 estudo das propriedades iniciais da eletricidade e da lei que descreve a interação eletrostática é o assunto que vamos abordar em primeiro lugar, ok?
♦ Atração eletrostática entre um pedaço de âmbar e uma pena.
Um pouco de história
Os fenômenos de natureza elétrica são conhecidos há séculos. O termo eletricidade se origina da palavra elektron, nome em grego do âmbar, resina que se petrifica séculos depois de ser secretada por algumas árvores. É bem provável que não tenham sido os gregos os primeiros a descobrir os fenômenos elétricos, mas parece certo que foram deles as primeiras explicações, a maioria delas dadas por Tales de Mileto, matemático e filósofo grego do século VI a.C, que atribuía a causa da atração elétrica a sentimentos humanos dos corpos atritados.
Mas foi só em 1600 que o inglês William Gilbert (1544-1603), médico da rainha da Inglaterra, procurou refazer experiências e revisar as explicações de outros autores e pesquisadores. Reuniu suas conclusões no livro Demagnete, um dos primeiros clássicos da literatura científica.
Depois de Gilbert começaram a ocorrer observações mais cuidadosas e a surgir explicações menos animistas da eletricidade. Em 1729, o físico inglês Stephen Gray (1666?-1736) conseguiu conduzir a eletricidade de um corpo para outro através de fios de linho e verificou que alguns materiais conduzem bem a eletricidade - são condutores - e outros não - são isolantes.
Essas observações consolidavam a ideia de que a eletricidade seria um fluido (explicação semelhante à da natureza do calor), algo que estivesse contido em alguns corpos e que podia ser canalizado ou conduzido de um corpo para outro. Eram feitas inclusive demonstrações públicas, como a representada na figura.
Em 1733, o químico francês Charles du Fay (1698-1739) propôs a existência de duas espécies de eletricidade. Uma delas era do tipo da carga elétrica adquirida pelo vidro atritado com seda, chamada vítrea, e a outra era a carga elétrica adquirida por materiais resinosos, como o âmbar, atritados com lã, chamada resinosa.
Essas conclusões levaram à hipótese da existência de dois fluidos elétricos: o fluido vítreo e o fluido resinoso. Os corpos teriam, normalmente, quantidades iguais desses fluidos, por isso eram eletricamente neutros. Quando eletrizados, havia transferência de fluido de um a outro e essas quantidades deixariam de ser iguais. A eletricidade resultante contida num corpo corresponderia ao do fluido que ele contivesse em excesso.
Por volta de 1750, o físico e político americano Benjamin Franklin (1706-1790) propôs a teoria do fluido único. Segundo essa teoria, todo corpo teria uma quantidade' 'normal'' desse fluido.
Por isso todo corpo seria eletricamente neutro. Se um corpo fosse atritado com outro, parte desse fluido passaria de um para o outro: o que adquirisse excesso de fluido estaria carregado positivamente, e o que ficasse com falta estaria carregado negativamente. Franklin foi o primeiro a usar as palavras positivo e negativo na eletricidade. Ele não conhecia os termos vítreo e resinoso criados por Du Fay.
Agora uma abertura para palestra de Walter Lewin, famoso professor do MIT, onde os vídeos você pode encontrar no youtube (link aqui)
“””“Minhas aulas não são uma repetição do livro texto, elas vão dar suporte ao livro e o livro irá dar suporte às minhas aulas”.
“Nas minhas aulas você não verá deduções tediosas e para isso você possui o livro, vou enfatizar os conceitos, e vou fazer você ter uma visão além das equações, além dos conceitos, vou mostrar, goste você ou não, que Física é linda, e talvez você comece a gostar dela, sugiro que não durma no ponto e não deixe passar os assuntos, ou seja, não voe, não deixe de rever e estudar, nem por um dia, pois os conceitos não são tão fáceis e terão um crescimento constante durante o curso. Como serão apresentados novos conceitos a cada semana, se você não estiver atualizado, quando se der conta, estará muito atrás dos outros alunos e não conseguirá acompanhar o curso”.
Eletricidade e magnetismo estão em todo lugar e em todo o universo que nos cercam, Temos luz elétrica, relógios elétricos, microfones, calculadoras, televisão, gravadores, rádio, computadores. Até mesmo a luz é um fenômeno eletromagnético assim com as ondas de rádio. As cores do arco-íris no céu azul estão lá por causa da eletricidade, e eu vou abordar esse assunto nesse curso. Carros, aviões, trens só podem funcionar por causa da eletricidade. Cavalos precisam da eletricidade, pois para contrair seus músculos é necessária a eletricidade. Seu sistema nervoso funciona pela eletricidade. Átomos, moléculas e todas as reações químicas existem por causa da eletricidade. Você não pode nem ver sem a eletricidade. Seu coração não bate sem eletricidade. E você não pode nem ter a capacidade de pensar sem eletricidade. Mesmo assim tendo toda eletricidade à sua disposição, alguns de vocês tem problema com esse último item. “”””
Na prática, os corpos eletrizados positivamente correspondiam aos que adquiriam eletricidade vítrea, na teoria dos dois fluidos, e os corpos eletrizados negativamente eram os que adquiriam eletricidade resinosa. Em outras palavras, positivo era sinônimo de vítreo, e negativo, sinónimo de resinoso. Durante muito tempo, ambas as teorias foram bem aceitas, pois explicavam satisfatoriamente os fenômenos elétricos. Os termos positivo e negativo, no entanto, acabaram por prevalecer.
Desde então, em meados do século XVIII, a eletricidade conheceu um progresso extraordinário. Esse relato é suficiente para esta apresentação introdutória.
A carga elétrica e a eletrização
Desde o estudo da Termodinâmica, a Física voltou-se predominantemente ao mundo microscópico, aos fenômenos cuja natureza está na existência e nas características e propriedades das partículas elementares, partículas indivisíveis que não são compostas de nenhuma outra. Na figura podemos observar curiosos e artísticos desenhos que são traços deixados por partículas elementares atravessando uma câmara de bolhas; por meio desses traços é possível detectar essas partículas e conhecer algumas de suas propriedades.
Embora muito antiga, a hipótese de o átomo ser o constituinte elementar da matéria só foi definitivamente aceita no início do século XX. Com ela, veio a descoberta de partículas elementares portadoras de carga elétrica que compõem o átomo. Provisoriamente podemos afirmar que o átomo é composto de elétrons (partículas que contêm a carga elementar negativa, dispostas em camadas que se assemelham a nuvens que envolvem o núcleo do átomo) e prótons (partículas de carga elétrica positiva, localizadas no núcleo), apesar de a concepção atual do átomo ser bem mais elaborada.
Na figura, por exemplo, que mostra um esquema da concepção moderna de um átomo de sódio, a superfície das esferas laranja e a dos balõezinhos verdes indicam as regiões, chamadas orbitais, nas quais o elétron tem maior probabilidade de estar.
BREVE HISTÓRIA DO ÁTOMO
A Ideia do átomo foi proposta pela primeira vez no século Va.C. pelos filósofos gregos Leucipo de Mileto (c. 480 a.C - 420 a.C.) e Demócrito de Abdera (c. 460 a.C - 370 a.C). Ao que parece, preocupados em responder à questão da derradeira divisão possível da matéria, eles propuseram a existência dos átomos, unidades microscópicas e indestrutíveis que seriam os constituintes últimos da matéria. Sua hipótese, porém, não teve adeptos no seu tempo e só foi retomada mais de 2 mil anos depois pelo químico inglês John Dalton (1766-1844). Pode-se sintetizar a teoria atômica de Dalton em três ideias básicas:
1. Toda matéria é constituída de átomos, partículas esféricas sólidas, indivisíveis e indestrutíveis.
2. Todos os átomos de um dado elemento têm massa e propriedades idênticas.
3. Materiais compostos são formados pela combinação de duas ou mais espécies de átomos.
Apesar da importância da teoria de Dalton para o desenvolvimento da Química, muitos físicos da época rejeitaram essa hipótese, que só veio a ser aceita no final do século XIX, principalmente depois de experiências dos físicos Jean Baptiste Perrin (1870-1942), francês, e J. J. Thomson (1856-1940), inglês, que resultaram na descoberta do elétron.
Embora não saibamos o que seja carga elétrica, conhecemos suas inúmeras características e propriedades:
•Princípio da conservação da carga elétrica: a carga elétrica total de um sistema eletricamente isolado é constante.
• A carga elétrica 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.
• Cargas elétricas de mesmo tipo repelem-se; de tipos diferentes atraem-se.
• Em todo átomo, o número de elétrons (portadores da carga elementar negativa) é igual ao número de prótons (portadores da carga elementar positiva); portanto, todo átomo é eletricamente neutro.
De acordo com a Física moderna, o próton é formado de 2 quarks up, de carga + 2/3e, e 1 quarkdown, de carga -1/3e. A soma algébrica 2Í+2/3e) + 1(—1/3e) = +e dá a carga do próton, que, somada à carga do elétron, - e, dá zero.
Há outras propriedades das cargas elétricas que serão abordadas ao longo do nosso estudo. Vamos nos restringir inicialmente àquelas que nos permitem entender alguns fenômenos elementares, como os processos de eletrização.
POSITIVA E NEGATIVA, OU CARGA E ANTICARGA.
De início, em meados do século XVIII, as palavras positivo e negativo atribuídas à eletricidade estavam relacionadas ao superavit ou deficit de um hipotético fluido elétrico que estaria contido num corpo.
Essa hipótese foi descartada, mas a denominação foi mantida no modelo atômico e adquiriu conotação algébrica porque se tornou conveniente - a soma algébrica das cargas do elétron, -e, e do próton, +e, é nula, o que está de acordo com a neutralidade elétrica do átomo.
No entanto, é importante notar que são apenas nomes, palavras que indicam oposição mútua.
Poderiam chamar-se preta e branca, quente e fria, esquerda e direita e semelhantes.
Condutores, isolantes e os processos de eletrização
Em princípio, condutor é o material através do qual as partículas portadoras de cargas elétricas podem mover-se com facilidade. Quando isso não ocorre, ou ocorre com muita dificuldade, o material é chamado de isolante.
Na verdade, não existem condutores ou isolantes perfeitos. Em determinadas condições, qualquer material pode conduzir eletricidade, assim como todo condutor oferece limitações à condução de eletricidade, com exceção dos supercondutores.
Para tornar nossas explicações mais adequadas à compreensão atual da estrutura da matéria, vamos admitir que, nos condutores sólidos, apenas os elétrons, portadores de cargas negativas, sejam móveis. As cargas positivas, cujos portadores são prótons, não se movimentam, pois estão fixas à estrutura do material - os prótons estão vinculados ao núcleo dos átomos.
A ideia de eletrização é muito simples. Se a matéria é constituída de átomos e todos os átomos são eletricamente neutros, todo material é eletricamente neutro. Assim, no nível da estrutura elementar da matéria, eletrizar um corpo é fazer com que seus átomos tenham um número de elétrons diferente do número de prótons. Dois processos básicos nos permitem provocar esse desequilíbrio: a eletrização por contato e a eletrização por indução.
A polarização elétrica é uma exceção - quando ela ocorre, um corpo com carga total nula pode interagir eletricamente com outros corpos. Nesse caso essa interação se deve a uma assimetria na distribuição das cargas elétricas desse corpo: um lado se torna predominantemente positivo, e o outro, predominantemente negativo. Essa é uma ideia provisória; vamos tratar a polarização elétrica com maior profundidade no estudo dos die-létricos, mais adiante.
Eletrização por contato
De acordo com a Física moderna, os átomos e as moléculas que constituem os materiais têm estruturas diferentes que lhes dão diferentes propriedades. Uma dessas diferenças é a força de atração que exercem sobre os elétrons que se localizam nas camadas mais distantes dos núcleos.
Assim, quando dois corpos de materiais diferentes, eletricamente neutros, são postos em contato muito próximo (fortemente pressionados um contra o outro), suas camadas eletrônicas superficiais ficam também muito próximas. Por isso os elétrons de um corpo podem migrar para o outro. Embora seja impossível saber o que de fato acontece nesse nível microscópico, a figura ilustra esquematicamente essa situação.
Dessa forma, é possível eletrizar dois corpos simultaneamente colocando-os em contato muito próximo. O corpo que adquire elétrons torna-se eletricamente negativo; o que perde elétrons torna-se eletricamente positivo.
A característica da eletrização por atrito é a obtenção de dois corpos com cargas elétricas opostas a partir de dois corpos inicialmente neutros.
Veja a figura, que representa esquematicamente esse processo. Os elétrons do corpo A passam para o corpo B. O corpo A torna-se eletricamente positivo, enquanto o corpo B torna-se eletricamente negativo.
Os físicos ainda não sabem exatamente qual é a natureza do atrito, por isso ainda não se sabe também com clareza qual papel ele desempenha no processo de eletrização, mas não há dúvida de que a proximidade entre as superfícies em contato é o fator determinante.
ATRITAR OU ESFREGAR?
Atritar e esfregar podem ser entendidos como sinônimos — dois corpos podem ser eletrizados atritando-se ou esfregando-se um contra o outro. No entanto, a palavra que melhor expressa o fenômeno da eletrização é esfregar. Segundo o Dicionário Houaiss, esfregar é "roçar seguidamente um corpo sobre (ou em) outro", ideia mais adequada à eletrização do que atritar ou friccionar.
Atritar ou friccionar são ações que nos levam a supor que é o movimento que gera a eletrização e, por consequência, que quanto mais se atrita um corpo, mais eletrizado ele fica. Isso, além de não ser correto, leva a equivocadas relações entre aquecimento e eletrização. Na eletrização, o que importa é o melhor contato obtido na esfregação, não a energia gasta pela fricção, ideia falsa que aparece quando falamos em atrito. Mas feita essa ressalva, vamos manter a expressão habitual — eletrização por atrito —, embora, do ponto de vista conceituai, fosse melhor eletrização por esfregação.
Eletrização por indução
Um dos significados mais comuns do verbo induzir se refere a conseguir que alguém faça alguma coisa indiretamente. É por isso que os pais se preocupam em saber com quem seus filhos andam. Temem que sejam influenciados ou induzidos a práticas inconvenientes.
Em Física, o significado do verbo induzir é semelhante, sem o aspecto moral, obviamente. Eletrizar um corpo por indução é fazer com que ele adquira ou perca elétrons à distância, sem ação direta.
No processo de indução não há contato direto entre os corpos. Basta aproximar um corpo carregado, o indutor, de um corpo neutro a ser carregado, o induzido.
O induzido deve estar ligado temporariamente à Terra ou a um corpo maior que lhe forneça elétrons ou que dele os receba, num fluxo provocado pela presença do indutor. Caso contrário, o induzido apenas se mantém eletricamente polarizado enquanto o indutor estiver presente.
Em princípio, pode-se admitir que a Terra é um corpo suficientemente grande para receber ou ceder qualquer quantidade de elétrons. No entanto, essa é uma explicação provisória, que será reformulada mais adiante, quando introduzirmos o conceito de capacitância elétrica.
A figura ilustra o processo de eletrização por indução.
Observe que o induzido adquire cargas elétricas opostas às do indutor.
Na figura, A é o indutor, corpo carregado positiva ou negativamente, e B, o induzido, corpo eletricamente neutro. T representa um corpo maior, de material condutor (a Terra, por exemplo). A presença de A junto ao corpo B provoca a separação das cargas de B; o corpo B fica polarizado. Ligando-se B à Terra, sobem elétrons para B se A estiver positivamente carregado, ou escoam elétrons de B para a Terra se A estiver negativamente carregado. Interrompen-do-se a ligação de B com a Terra, ele se torna eletricamente carregado.
Esses diferentes processos de eletrização podem ser produzidos mecanicamente, por meio de máquinas ou geradores eletrostáticos, dispositivos atualmente em desuso, mas que ainda têm interesse didático e histórico.
A lei de Coulomb — a medida da carga elétrica
Por volta de 1775, algumas evidências experimentais convenceram o físico-químico inglês Joseph Priestley (1733-1804) de que a interação elétrica deveria ser descrita por uma lei semelhante à da interação gravitacional - a atração ou a repulsão entre cargas elétricas deveria ser também diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas, grandeza equivalente à massa na interação gravitacional, e inversamente proporcional à distância.
Veja a figura. Ela ilustra um experimento realizado por Benjamin Franklin, por volta de 1875. Ele observou que uma bolinha de cortiça, neutra, pendurada por um fio de seda, colocada próxima a um vaso metálico vazio, eletricamente carregado, era atraída apenas externamente (figura a); quando colocada dentro do vaso, não sofria nenhuma atração (figura b). Teoricamente, o mesmo efeito ocorreria com um planeta oco, que só exerceria atração gravitacional sobre corpos externos a ele.
Esse resultado experimental veio ao encontro da previsão teórica de Priestley, que, dez anos depois, foi comprovada experimentalmente pelo físico francês Charles de Coulomb, em um resultado que ficou conhecido como lei de Coulomb:
O módulo das forças de interação (F) entre dois pontos materiais de cargas elétricas q2 e q2 é diretamente proporcional ao produto dessas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância (d) entre esses pontos materiais.
Matematicamente, essa lei é expressa na forma:
CHARLES DE COULOMB
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), físico francês, pertencia à alta aristocracia. Engenheiro militar, foi desligado do exército em 1791 e, durante a Revolução Francesa, foi obrigado a refuglar-se fora de Paris.
Seus primeiros trabalhos em Física estavam voltados ainda à Engenharia e à Mecânica.
Sua contribuição mais notável à Física, no entanto, está ligada à Eletricidade. Em 1784, Coulomb iniciou uma série de cuidadosos experimentos, utilizando uma balança de torção muito sensível, por ele projetada (veja figura ao lado), para descobrir a relação entre o módulo F da força de interação entre corpos carregados eletricamente e a distância dentre eles; concluiu que F é inversamente proporcional ao quadrado da distância:
Embora não usasse a denominação carga elétrica, conceito inexistente na época, Coulomb concluiu que a interação eletrostática deveria ter uma forma equivalente à sua expressão atual,
, por analogia à lei da gravitação universal, de Newton.
Apesar de não ter sido o primeiro a propor essa lei, ela tem o nome de Coulomb porque, além de comprová-la experimentalmente, foi o primeiro a publicar o trabalho em que ela é apresentada e seu experimento é cuidadosamente relatado.
A constante k costuma ser chamada de constante eletrostática e está relacionada ao meio em que as partículas carregadas estão imersas.
A direção das forças de interação entre os pontos materiais de cargas q1 e q2, F12 e F21 , cujos módulos são iguais a F, é a da reta que contém esses pontos; o sentido é de atração, quando as cargas são de sinais diferentes, ou de repulsão, quando são de mesmo sinal. Como comentamos no quadro anterior, o sinal das cargas elétricas não é, a rigor, um sinal algébrico - embora às vezes seja utilizado como tal. Por essa razão, optamos por não colocá-lo na expressão da lei de Coulomb. Pela mesma razão, não nos parece necessária a utilização da barra indicativa do módulo para a carga elétrica q. Veja a figura.
Por razões de conveniência e praticidade, o Sistema Internacional adotou como unidade padrão para a eletricidade o ampere (A), unidade de intensidade de corrente elétrica, conteúdo a ser visto, baseando-se numa propriedade que será abordada no estudo do eletromagnetismo mais adiante.
A partir do ampere, é definido o coulomb (C), unidade de carga elétrica:
1 coulomb é a quantidade de carga que atravessa a seção normal de um condutor percorrido por uma corrente elétrica de intensidade igual a 1 ampere em 1 segundo.
Definida a unidade de carga elétrica, o valor da constante eletrostática k para o vácuo torna-se:
k = 9,0.109Nm2/C2
A relação da constante k com o meio será mais bem entendida depois do estudo dos próximos assuntos, a partir de outra constante, a permissividade do meio (e).
O coulomb é uma unidade de carga muito grande - a carga elétrica de uma nuvem de tempestade, por exemplo, tem apenas algumas centenas de coulombs.
Por essa razão, quase sempre nos referimos a submúltiplos do coulomb, como o microcoulomb, (10-6 C), o nanocoulomb, nC (IO-9 C), e o picocoulomb, pC (10-12 C).
EXERCÍCIOS RESOLVIDOS
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
RESOLUÇÃO DAS QUESTÕES E COMENTÁRIOS
A SEGUIR ATIVIDADE PRÁTICA
Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
YOUTUBE
PÁGINA DICAS DE FÍSICA E SUPER INTERESSANTES
PÁGINA DO CURSO DE FÍSICA, MATEMÁTICA E CÁLCULO1
BLOG DE NOTÍCIAS, ARTIGOS E APOSTILAS
email:
Pelo SKYPE adicione fisicaseculo21
GRUPO NO TELEGRAM - fisicaseculo21 - verifique se o convite abaixo está válido:
https://t.me/joinchat/LE0j0RaalG7i7vUqYG6mkw
CASO O CONVITE ACIMA NÃO ESTEJA MAIS VÁLIDO FAVOR SOLICITAR DIRETAMENTE PARA O PROF SÉRGIO TORRES POR QUAISQUER OUTRAS MÍDIAS MENCIONADAS ACIMA.
PARA DOAÇÕES DE APOIO À PRODUÇÃO DE VÍDEOS E ARTIGOS:
DEPÓSITO/TRANSFERÊNCIA PARA:
SERGIO RICARDO BARBOSA TORRES
BANCO BRADESCO (237)
CPF: 198.805.964-04
AGÊNCIA: 3211- 5
CONTA 17.586-2
Postagens
Nenhum comentário:
Postar um comentário
Seu comentário é muito importante
Obrigado
Prof. Sérgio Torres