Eletrostática

Eletrostática

(Parte 1 de 2)

2009 PDF created with pdfFactory Pro trial version w.pdffactory.com

Um pouco da história da Eletricidade

A partir de agora, iniciaremos o estudo da Eletricidade, uma das partes mais fascinantes da Física. É através dela que se explicam muitos fenômenos que nos cercam no dia-a-dia. Os raios são descargas elétricas. A lâmpada da sala de aula, os ferros modernos de passar roupa, a televisão e o telefone celular, por exemplo, têm o seu funcionamento explicado por ações elétricas.

O estudo da eletricidade originou-se de algumas observações realizadas aparentemente no século VI a.C., quando gregos teriam identificado os primeiros fenômenos elétricos. Ao que tudo indica Tales de Mileto, um filósofo, após ter atritado um pedaço de âmbar com pele de animal, verificou que o primeiro passou a atrair objetos leves, tais como a pena de uma ave.

Por alguns séculos, o estudo da eletricidade não evoluiu quase nada. No século XVI,

William Gilbert, um médico inglês, verificou que não somente o âmbar, mas diversas substâncias se eletrizavam ao serem atritadas, tais como diversas resinas, vidros, enxofre, entre outros compostos sólidos.

Através do fenômeno da eletrostática nos sólidos observou-se a propriedade dos materiais isolantes e condutores.

Como em grego a palavra âmbar é elektron, ele chamou esses materiais de elétricos. Daí nasceu também o nome de eletricidade para esse ramo da Física.

O francês Du Fay verificou que havia dois tipos de eletricidade, fazendo a seguinte experiência:

· Ao atritar o âmbar com um pedaço de lã, este se eletrizava e repelia outro pedaço de âmbar igualmente eletrizado.

• Do mesmo modo, ao atritar o vidro com um pedaço de lã, este se eletrizava e repelia outro pedaço de vidro igualmente eletrizado.

• No entanto, o vidro eletrizado atraía o âmbar eletrizado.

Assim se nomeou a eletricidade do vidro de vítrea e a das demais substâncias de eletricidade resinosa.

Benjamin Franklin, um importante cientista do século XVIII, foi quem nomeou de positiva a eletricidade vítrea e de negativa a resinosa.

Otto Von Guericke (1602-1686) inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática, que era constituído de uma esfera giratória composta de enxofre com o qual foi conseguida a primeira centelha elétrica através de máquinas.

A partir de 1933, Robert J. Van de Graaff (1901-1967) construiu as primeiras máquinas eletrostáticas modernas, que produzem diferenças de potencial de vários milhões de volts, usadas para acelerar partículas.

O estudo da eletrostática (carga em repouso) se intensificou, tanto no meio acadêmico como no industrial, após vários acidentes ocorridos em indústrias de petróleo e química, no período de 1950 a 1960.

O acúmulo de cargas eletrostáticas normalmente pode gerar faíscas, levando a drásticas conseqüências quando na presença de substâncias inflamáveis, como gases, explosivos, solventes voláteis entre outros. Essas substâncias são principalmente encontradas em refinarias de petróleo, indústrias químicas e de alimentos. Outro setor onde ocorrem problemas com cargas eletrostáticas é o de fabricação de componentes microeletrônicos. Vários componentes

PDF created with pdfFactory Pro trial version w.pdffactory.com eletrônicos são danificados devido à eletricidade estática que surgem durante o processo de fabricação e de embalagem.

Na aviação, a eletricidade estática é fator relevante à segurança das aeronaves. Um avião, por exemplo, após aterrissar necessita ser descarregado estaticamente, pois a tensão desenvolvida pode facilmente ultrapassar 250.0 volts. Nos automóveis também ocorre a eletrização quando estes são submetidos a grandes velocidades ao ar seco, podendo seus ocupantes ao sair ou entrar no veículo tomarem uma descarga elétrica.

Em 2003 ocorreu um acidente que, presume-se, foi causado pela descarga de uma centelha estática num foguete brasileiro na base aeroespacial de Alcântara, cuja explosão causou a morte de diversos técnicos e engenheiros.

Cargas eletrostáticas podem ser geradas simplesmente pelo fato de pessoas andarem sobre certos pisos isolantes ou atritar a roupa durante um movimento normal.

A maneira mais eficiente de eliminar o perigo eletrostático é eliminar os materiais altamente eletrostáticos.

Por exemplo, uma sala onde o acúmulo de cargas pode trazer danos, a prevenção contra cargas eletrostáticas requer piso com condutividade aceitável, garantindo que as pessoas estejam em efetivo contato elétrico com o piso por meio de um calçado antiestático.

O modelo atômico e a carga elétrica

Sabemos hoje que a matéria é constituída por átomos e que estes, por sua vez, são formados por três tipos de partículas elementares: prótons, elétrons e nêutrons. Segundo o modelo atômico atual, podemos distinguir no átomo duas regiões distintas: um núcleo central e uma região que o envolve, a eletrosfera. O núcleo é uma região muito compacta, onde estão os prótons e os nêutrons.

Na eletrosfera estão os elétrons, girando ao redor do núcleo numa trajetória não conhecida.

Átomo

Das partículas que constituem o átomo, o elétron foi a primeira a ser descoberta: em 1897; o próton foi descoberto em 1919, e o nêutron só em 1932.

Em todos os átomos, o número de prótons é igual ao de elétrons. No entanto, o átomo de um elemento químico é diferente do átomo de outro elemento químico. Em cada um, encontramos uma quantidade particular de prótons e elétrons, que é o seu número atômico. Por exemplo:

· Um átomo de cobre tem 29 prótons e 29 elétrons. • Um átomo de alumínio tem apenas 13 prótons e 13 elétrons.

As três partículas são dotadas de massa. Próton e nêutron possuem massas quase iguais, ao passo que o elétron tem uma massa muito menor que a das outras duas.

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A massa do próton é 1840 vezes maior que a do elétron e, mesmo assim, trata-se de uma massa muito pequena, resultando uma força de atração gravitacional desprezível entre o elétron e o núcleo do átomo.

Toda vez que dois corpos se atraem ou se repelem com uma força elétrica, dizemos, por comodidade, que esses corpos têm carga elétrica.

Os dois tipos de carga elétrica

Inúmeras experiências feitas com prótons e elétrons levaram à conclusão das seguintes propriedades:

· elétron repele elétron • próton repele próton

• elétron atrai próton Por outro lado, experiências feitas com os nêutrons revelaram que estes não geram nenhuma força elétrica, nem de atração nem de repulsão, quer estejam em presença de elétrons ou de prótons, ou mesmo entre si.

Isso levou os cientistas a concluírem que existem dois tipos de carga elétrica, uma para o próton e outra para o elétron. Por mera convenção, estabeleceu-se que a carga do elétron é negativa e a do próton positiva.

Princípios da Eletrostática

1º Princípio CARGAS ELÉTRICAS DE MESMO SINAL SE REPELEM, E DE SINAIS CONTRÁRIOS SE ATRAEM.

Este princípio também é chamado de LEI DE DU FAY.

2º Princípio NUM SISTEMA ELETRICAMENTE ISOLADO, A SOMA ALGÉBRICA DAS CARGAS POSITIVAS E NEGATIVAS É CONSTANTE.

Este princípio também é conhecido de PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DAS CARGAS ELÉTRICAS.

Quantidade de eletricidade

A quantidade de eletricidade (ou carga elétrica) de um próton é igual à de um elétron, exceto pelo sinal. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional é o Coulomb (C), uma homenagem ao francês Charles Augustin Coulomb (1736-1806).

Essa unidade representa uma grande quantidade de eletricidade. Por isso usam-se seus submúltiplos:

• Microcoulomb 1 µC= 10-6 C

• Nanocoulomb 1 nC = 10-9 C

• Picocoulomb 1 pC = 10-12 C

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A carga elétrica do próton foi denominada carga elétrica elementar e seu valor é representado pelo símbolo e.

Experimentalmente, determinou-se o valor de carga elétrica elementar:

Para um conjunto de n elétrons, dizemos que a quantidade de eletricidade Q desse conjunto vale: Q = -n • e

Do mesmo modo, um conjunto de n prótons apresenta uma quantidade de eletricidade vale: Q = +n· e

Condutores elétricos e isolantes

Como exemplos de condutores elétricos têm os metais. Nesses materiais os elétrons da última camada dos átomos que os compõem estão fracamente ligados aos seus núcleos.

Em muitos casos, a própria agitação térmica permite que esses elétrons abandonem os átomos a que pertencem, tornando-se elétrons livres.

Materiais que não possuem cargas livres ou possuem um número relativamente pequeno de elétrons livres são denominados isolantes ou dielétricos. São exemplos, neste caso, o vidro, o plástico, a borracha, a água destilada entre outros.

Processos de Eletrização Eletrização por atrito

Ao atritarem-se dois corpos diferentes e inicialmente neutros, provoca-se um contato intenso entre partes dos corpos. Tal contato permite a troca de elétrons, eletrizando-se positivamente o corpo que cede elétrons e negativamente o que recebe elétrons.

Cederão elétrons o átomo cujos elétrons da última camada estão menos fortemente ligados ao seu núcleo em relação aos átomos que compõem o outro material.

Assim, por exemplo, se atritarmos um bastão de vidro com seda, os elétrons do bastão serão cedidos para a seda, ficando o bastão carregado positivamente e a seda negativamente. Isso sugere que os elétrons pertencentes aos átomos que compõem o vidro, estão menos fortemente ligados que os elétrons dos átomos que compõem a seda.

Série triboelétrica

Alguns materiais, quando atritados aos pares, um contra o outro, geram mais cargas elétricas livres do que outros pares. A série triboelétrica é uma lista de materiais, que mostra quais são aqueles que têm uma maior tendência de se tomarem positivamente eletrizados e quais

PDF created with pdfFactory Pro trial version w.pdffactory.com os que apresentam maior tendência de se tomarem negativamente eletrizados. Essa lista toma-se, assim, uma ferramenta indispensável para se determinar quais pares de materiais podem utilizar para um eficiente processo de eletrização por atrito. A tabela 1.1 mostra a série triboelétrica.

Tabela 1.1 – Série Triboelétrica

As melhores combinações de materiais para criar eletricidade estática são aquelas das quais participam materiais tirados do alto da lista dos "positivos" e aqueles tirados do fim da lista dos "negativos".

Obs.: Uma das reclamações mais comuns das pessoas, em climas frios, é que delas saltam faíscas quando tocam alguns objetos. Isto é causado tipicamente porque elas têm pele seca que pode ficar altamente positiva, especialmente quando atritadas com roupas feitas de poliéster, as quais adquirem cargas negativas.

É altamente aconselhável que as pessoas que adquirem facilmente cargas positivas, devido a sua pele seca, usem roupas feitas de algodão que é um material "neutro". Pessoas de pele úmida raramente reclamam de "choques" ao tocarem objetos.

Eletrização por contato

A eletrização por contato entre condutores ocorre quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado.

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Para descrever como esse processo acontece, vamos considerar o exemplo da figura 1.1, onde um corpo condutor carregado positivamente entra em contato com um corpo metálico neutro. Nesse caso, ao entrar em contato, os elétrons do corpo neutro passam para o corpo eletrizado. O corpo neutro, perdendo elétrons, fica positivamente carregado. Esse processo de transferência de cargas também ocorre quando um corpo eletrizado negativamente entra em contato com um corpo neutro. Neste caso, as cargas negativas passam do corpo carregado para o neutro, e ambos ficam eletrizados negativamente.

Fig. 1.1 - Processo de eletrização por contato

Eletrização por Indução (Indução eletrostática)

Ao aproximar-se um corpo eletrizado (indutor) de um condutor inicialmente neutro (induzido), sem que haja contato, criam-se, no condutor, duas regiões com cargas de sinais opostos. Isso acontece porque o condutor possui elétrons livres que podem ser atraídos ou repelidos pelo corpo inicialmente eletrizado.

A figura 1.2, mostra o caso em que um bastão de material isolante, carregado negativamente, está próximo de um condutor. Neste caso, os elétrons livres do condutor são repelidos pela carga do bastão, criando duas regiões eletrizadas: uma positiva, próxima do bastão e outra negativa, na região do condutor mais afastada do bastão. No caso do bastão estar carregado positivamente, as cargas negativas do condutor seriam atraídas para a região mais próxima do bastão e, conseqüentemente, a região do condutor mais afastada do bastão, ficaria com excesso de cargas positivas.

Fig. 1.2 - Indução eletrostática

A indução eletrostática também ocorre quando aproximamos um corpo eletrizado de um corpo isolante neutro. Neste caso, há um pequeno deslocamento de nuvens eletrônicas e/ou alinhamento de dipolos existentes no material.

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Fig. 1.3 - Indução de um isolante

Experimentalmente, a indução eletrostática de um material isolante ou metálico pode ser observada quando aproximamos um corpo carregado de outro corpo leve e neutro, suspenso por um fio isolante, como mostra a figura 1.4. O corpo neutro sofre a indução e é atraído em direção ao corpo eletrizado.

Fig. 1.4 - Corpo neutro atraído pelo corpo eletrizado

Uma maneira simples de verificar se um corpo está ou não eletrizado é aproximá-lo do braço. Nesse caso, os pêlos do braço se direcionarão ao objeto eletrizado. Outra maneira é aproximá-lo de um eletroscópio, como mostra a figura 1.5. Ao aproximar o corpo eletrizado da esfera do eletroscópio ocorrerá uma indução, aparecendo cargas de mesmo sinal em ambas as folhas. Conseqüentemente ocorrerá a repulsão entre elas.

Fig. 1.5 - Eletroscópio de folha: (a) neutro e (b) indicando que o corpo está eletrizado PDF created with pdfFactory Pro trial version w.pdffactory.com

Princípio da Conservação das Cargas Elétricas

Quando fazemos experiências com corpos eletrizados, tomamos o devido cuidado de isolar cada um deles. Usamos um pedestal isolante e não tocamos nas esferas metálicas.

Desse modo, o nosso sistema não perderá cargas elétricas para o meio exterior e, durante a experiência, a soma das cargas elétricas permanecerá constante.

O contato entre dois ou mais corpos favorecerá a troca de cargas elétricas entre eles, não alterando, porém o somatório das cargas elétricas do sistema.

Tomemos como exemplo duas esferas de metal A e B eletrizadas inicialmente com cargas elétricas +12 e -4, respectivamente. Fazendo um contato entre elas, verificou-se que as novas cargas elétricas de A e B tornaram-se +5 e +3, respectivamente. Observemos que: • o somatório das cargas elétricas de A e B antes do contato era (+ 12) + (-4) = +8

• o somatório das cargas elétricas de A e B após o contato passou a ser (+5) + (+3) = +8

Ligação com a Terra

Ao se ligar um condutor eletrizado à Terra, este se descarrega.

Quando o condutor é positivo, elétrons sobem da Terra para o condutor, neutralizando seu excesso de cargas positivas.

Quando o condutor é negativo, seus elétrons em excesso escoam para a Terra.

Força Eletrostática

Vamos trabalhar agora com corpos eletrizados cujas dimensões são desprezíveis em relação às distâncias que os separam um do outro. É comum denominar esses pequenos eletrizados de carga elétrica puntiforme.

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