Fisica Eletrostática

Fisica Eletrostática

Introdução

Faça o leitor a seguinte experiência: aproxime um pente, ou uma caneta-tinteiro, de corpos leves, como por exemplo pequenos pedaços de papel ou de cortiça (rolha). Verá que nada acontece. Depois atrite o pente, ou a caneta, com um pedaço de pano, ou lã, ou seda, e aproxime novamente dos pedaços de papel ou de cortiça. Verá que o pente, ou a caneta, depois de atritado, atrai aqueles corpos leves. Com essa observação simples concluímos que o pente ou a caneta, quando atritado, adquire uma propriedade nova, que não possui quando não é atritado.

 

Esse fenômeno foi descoberto com o âmbar, mais ou menos há 25 séculos, pelo filósofo grego Tales, da cidade de Mileto. Ele observou que o âmbar, depois de atritado, adquire a propriedade de atrair corpos leves. Essa observação de Tales permaneceu isolada. A segunda notícia que temos de uma descoberta em Eletricidade é de 19 séculos depois. No século XVI, William Gilbert, médico da rainha Izabel da Inglaterra, descobriu que muitos outros corpos, quando atritados, adquirem a propriedade de atrair corpos leves, isto é, se comportam como o âmbar.

Para indicar que esses corpos estavam se comportando como o âmbar, Gilbert dizia que estavam eletrizados. Isso porque em grego o âmbar se chama electron, e com a palavra eletrizado ele queria dizer "do mesmo modo que o electron". E à causa dessa propriedade que aparece quando os corpos são atritados, à qual Gilbert não conhecia, ele chamou eletricidade. Até hoje mantemos essas expressões: chamamos corpo eletrizado àquele que está com a propriedade de atrair outros corpos, isto é, que manifesta eletricidade. E chamamos corpo neutro àquele que não está eletrizado.Atualmente sabemos que duas substâncias, contanto que sejam diferentes, quando atritadas sempre se eletrizam.

Figura de Tales

Condutores e Isolantes

 

Hoje sabemos que todos os corpos se eletrizam, sendo que uns com mais facilidade que outros. Mas se não tivermos cuidado, em certas condições pode-nos parecer que certas substâncias não se eletrizam, o que é errado. O leitor pode fazer a seguinte experiência: atrite um bastão de vidro numa região BC. Verá que nessa região o vidro atrairá corpos leves, como pedaços de papel ou de cortiça. Isso indica que o vidro ficou eletrizado nessa região (fig. 13). Depois atrite um bastão de metal numa região BC, e aproxime-o dos mesmos corpos leves. Se ele for seguro diretamente com as mãos, não atrairá nenhum corpo leve. Mas se for seguro através de um cabo de vidro, por exemplo, atrairá. À primeira vista ficamos com a impressão de que o metal se eletriza quando tem um cabo de vidro, e não se eletriza quando não tem. Mas, na realidade o metal se eletriza sempre, e os fatos mencionados se explicam do seguinte modo: o vidro, quando eletrizado na região BC isola a eletricidade desenvolvida nessa região, e é por isso que consegue atrair corpos leves. O metal quando eletrizado em BC, não isola a eletricidade nessa região, mas conduz a eletricidade através do seu interior; quando está seguro com as mãos, a eletricidade chega ao corpo do experimentador e se escoa para a terra. Quando o metal tem cabo de vidro, esse cabo não permite o escoamento da eletricidade, que fica então localizada no metal.

Figura 13

As substâncias que isolam a eletricidade no lugar em que ela aparece como o vidro, são chamadas isolantes, ou dielétricos. Os que se comportam como os metais, isto é, que conduzem a eletricidade, são chamados condutores.Os condutores mais comuns são: os metais, o carbono, as soluções aquosas de ácidos, bases e sais, os gases rarefeitos, os corpos dos animais, e, em geral, todos os corpos úmidos. Os isolantes mais comuns são: vidro, louça, porcelana, borracha, ebonite, madeira seca, baquelite, algodão, seda, lã, parafina, enxofre, resinas, água pura, ar seco, etc.. Modernamente estão tomando importância cada vez maior como isolantes certas substâncias plásticas fabricadas sinteticamente.Vimos acima que quando o observador segura com as mãos o bastão de metal, a eletricidade desenvolvida no metal passa pelo corpo do observador e se escoa para a terra. E claro que isso só é possível porque o corpo humano (e de todos os animais) é condutor e a terra também é condutora. Todas as vezes que um corpo eletrizado é colocado em contato com aTerra, a eletricidade do corpo passa para a terra. No Capítulo V demonstraremos que isso acontece não só porque a terra contém substâncias condutoras, mas principalmente porque seu volume é muito maior que o volume dos corpos que ficam em contato com ela. Como veremos mais adiante, fazemos numerosíssimas aplicações práticas dessas duas propriedades que a terra tem: de ser condutora, e de "roubar" a eletricidade dos corpos eletrizados com que entra em contato.A temperatura e a umidade influem muito na "qualidade" de um isolante e de um condutor. De modo geral, os isolantes úmidos são maus isolantes, porque passam a conduzir um pouco a eletricidade. À temperatura elevada os isolantes são também maus isolantes: o vidro, por exemplo, que à temperatura ambiente é ótimo isolante, quando aquecido até ficar pastoso se torna muito bom condutor. Nos condutores, a temperatura em geral tem ação inversa: eles são melhores condutores a baixas temperaturas. A umidade age sempre no mesmo sentido, quer nos condutores, quer nos isolantes: melhora a condução.De modo geral, os bons condutores de eletricidade também são bons condutores de calor, e os isolantes elétricos também são isolantes térmicos.

Eletricidade positiva e negativa

 

Os corpos eletrizados exercem todos ações idênticas, mas não iguais. De há muito sabemos que há dois tipos de eletricidade diferentes. A existência desses dois tipos pode ser observada com a seguinte experiência, que aconselhamos o leitor a fazer. Atritamos um bastão de vidro com seda. Aproximando o bastão de um corpo leve, este é atraído, entra em contato com o vidro e depois é repelido (fig. 14).

Atritamos depois um bastão de enxofre também com seda. Aproximando este bastão do corpo leve, observamos os mesmos fenômenos que no caso do vidro: o corpo é atraído, encosta no bastão e depois é repelido (fig. 14).

Concluímos que o vidro, atritado com seda, e o enxofre atritado com seda, comportam-se de maneira idêntica, quando atuam separadamente. Mas, se combinarmos as ações dos dois, veremos que há uma diferença nos seus estados de eletrização: aproximando o bastão de enxofre do corpo leve logo que este é repelido pelo vidro, veremos que o enxofre o atrai; reciprocamente, aproximando o bastão do vidro do corpo leve logo que este é repelido pelo enxofre, o vidro o atrai.

Figura 14

Concluímos que, quando o vidro exerce força de atração, o enxofre exerce força de repulsão, e vice-versa. Repetindo a experiência com todos os outros corpos veremos que todos eles dividem-se em dois grupos: uns comportam-se do mesmo modo que o vidro atritado com seda; outros, como o enxofre atritado com seda. Daí a distinção de duas espécies de eletricidade.Arbitrariamente se chamou eletricidade positiva àquela que aparece no vidro atritado com seda; eletricidade negativa, àquela que aparece no enxofre atritado com seda.

 

Eletricidade e magnetismo

O estudo dos fenômenos elétricos não pode ser separado do estudo de um outro grupo de fenômenos com os quais tem íntima ligação, chamados fenômenos magnéticos (porque são produzidos pelos ímãs, que também se chamam magnetos). Quase todos os autores dividem o estudo da eletricidade e do magnetismo nas seguintes partes:

Eletrostática - estuda os fenômenos provocados pela eletricidade em equilíbrio.Eletrodinâmica - estuda a eletricidade em movimento.Magnetismo - estuda os fenômenos provocados pelos ímãs.Eletromagnetismo - estuda os fenômenos elétricos relacionados com os fenômenos magnéticos.

Nós dividimos este curso também nessas quatro partes.

Processos de eletrização

Chama-se eletrização ao fenômeno pelo qual um corpo neutro passa a eletrizado. Os processos mais comuns para a obtenção da eletricidade estática são os seguintes.

 

1. Por atrito

 

Foi o primeiro processo de eletrização conhecido. Quando duas substâncias de naturezas diferentes são atritadas, ambas se eletrizam.

 

2. Por indução

 

Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza. Esse fenômeno é chamado indução eletrostática.O leitor que realizou as pequenas experiências que sugerimos até agora, já viu casos de eletrização por atrito e por indução. Assim, quando atritamos um pente, este se eletriza por atrito. Depois, quando aproximamos o pente eletrizado de pequenos pedaços de papel, o papel se eletriza por indução, e depois de eletrizado é atraído pelo pente (veja Capítulo IV).

 

3. Por contato

 

Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza.Um outro caso de eletrização por contato é o seguinte: quando duas substâncias de naturezas diferentes, ambas inicialmente neutras, são colocadas em contato durante muito tempo, com grande superfície de contato, ambas se eletrizarão. Este caso é mais difícil de ser observado, porque a eletrização de ambas é muito fraca .

 

4. Por aquecimento

 

Certos corpos, quando aquecidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários em dois pontos diametralmente opostos. O fenômeno é chamado fenômeno piroelétrico. É mais comum em cristais, como por exemplo na turmalina.

 

5. Por pressão

 

Certos corpos, quando comprimidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários nas extremidades. O fenômeno é chamado fenômeno piezoelétrico. Também é mais comum em cristais, como por exemplo, turmalina, calcita e quartzo.

Estudaremos em nosso curso a eletrização por atrito, por indução (Capítulo IV) e por contato (Capítulo V).

Princípios da eletrostática

 

 

 

Do mesmo modo que em qualquer outra parte da Física, o estudo da Eletrostática se baseia em certos princípios fundamentais, que são concluídos pela experiência, e que não tem demonstração teórica. Veremos inicialmente os dois seguintes.

 

 

1. princípios da atração e repulsão

 

"Duas cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, e de sinais contrários se atraem". Essa verdade só pode ser demonstrada experimentalmente: colocamos em presença, sucessivamente, corpos com cargas de mesmo sinal e sinais contrários, e observamos quais os sentidos das forças, conforme está esquematizado na figura 15. Mas, a melhor prova de que esse princípio é exato é que as consequências de sua aplicação são sempre verificadas experimentalmente.

Figura 15

2. Princípio da conservação da energia

 

Este princípio que é um princípio geral para toda a Física, quando aplicado à eletricidade, é chamado, às vezes, "princípio da conservação da eletricidade", ou mais precisamente "princípio da conservação da energia elétrica". É válido para um sistema isolado de corpos, e pode ser enunciado: "em um sistema isolado de corpos, a energia elétrica total é constante, desde que não haja transformação de energia elétrica para outras formas de energia". Com mais rigor esse princípio deve ser enunciado para a energia eletromagnética, e não para a energia elétrica somente.

Dizemos que essas duas verdades são dois princípios fundamentais, porque não há nenhum raciocínio capaz de demonstrá-las. Nós observamos que elas acontecem na natureza e as tomamos como dois pontos de apoio, para os futuros raciocínios que vamos fazer em Eletrostática.

Eletroscópios

São instrumentos que servem para indicar se um corpo está ou não eletrizado. Existem vários tipos de eletroscópio.

 

Pêndulo elétrico

 

É o mais simples de todos. É constituído de uma pequena esfera (de medula de sabugueiro, cortiça, etc.) suspensa por um fio de material mau condutor. Esse fio é preso a um suporte S (fig. 16). Para verificar se um corpo C está eletrizado, nós o aproximamos da esfera. Se o corpo estiver eletrizado, a esfera será atraída, entrará em contato com o corpo e depois será repelida. Se o corpo estiver neutro, a esfera permanecerá em repouso.

Figura 16

O pêndulo elétrico é usado somente em aulas de demonstração. As experiências indicadas nos parágrafos anteriores a respeito da atração e repulsão de corpos leves, etc. costumam ser feitas com o pêndulo elétrico. (Veja a questão 12, nos exercícios propostos).

 

Eletroscópio de folhas de ouro

 

É um dos mais usados. É constituído de uma haste h metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica E, e na parte inferior a duas folhas metálicas bastante delgadas a e b. As duas folhas são mantidas no interior de uma caixa metálica munida de uma janela de vidro (fig. 17). Para verificarmos se um corpo está eletrizado, colocamo-lo em contato com a esfera E. A esfera E, a haste h e as duas lâminas a e b, pelo contato, eletrizam-se com eletricidade do mesmo nome que a do corpo. Logo, as duas folhas a e b repelem-se. Esse eletroscópio nos permite conhecer o sinal da carga elétrica de um corpo. Para isso carregamos o eletroscópio com carga elétrica de sinal conhecido, por exemplo, positiva. Colocando em contato com a esfera E um outro corpo, se ele também estiver eletrizado positivamente a distância entre as folhas a e b aumentará. Se ele estiver carregado negativamente, a distância diminuirá. (Veja a questão 13 no fim deste capítulo).

Quando estudarmos "indução eletrostática" veremos que não há necessidade de tocarmos com o corpo a esfera do eletroscópio nem a do pêndulo elétrico, para sabermos se ele está ou não eletrizado. Basta aproximarmos o corpo da esfera E do eletroscópio, ou do pêndulo (ver Capítulo IV).

 Explicação do fenômeno de eletrização

 

Atualmente explicamos a eletrização dos corpos com a noção que temos da estrutura dos átomos. Qualquer fenômeno elétrico que observamos, como por exemplo, um pêndulo elétrico que oscila, as lâminas de um eletroscópio que divergem, um corpo que é atraído por outro, etc., na verdade é consequência de fenômenos atômicos.Sabemos que os corpos são formados de moléculas, as moléculas são formadas de átomos, e os átomos de partículas, chamadas partículas fundamentais. As partículas fundamentais conhecidas até hoje são: elétron, ou negatron, próton, nêutron, elétron positivo ou pósitron, neutrino, fóton, méson leve positivo, méson leve negativo, méson pesado positivo, méson pesado negativo, méson pesado neutro, e mais várias outras partículas cujas propriedades são ainda mal conhecidas, pertencentes à família dos mésons.Entre as partículas fundamentais são importantes para a explicação dos fenômenos elétricos o próton, o elétron e o nêutron. Os prótons e os nêutrons se encontram numa região do átomo chamada núcleo. Os elétrons ficam girando ao redor do núcleo, dispostos em várias órbitas. O átomo de hidrogênio, por exemplo, é o mais simples de todos: o seu núcleo é formado de um único próton, e ao redor do núcleo só há um elétron girando. O átomo de lítio tem o núcleo constituído por três prótons e quatro nêutrons; e tem três elétrons girando ao redor do núcleo, dispostos em duas órbitas: uma, mais próxima do núcleo, chamada órbita K, na qual giram dois elétrons; e outra, chamada órbita L, na qual gira um só elétron (fig. 18).

Figura 18

Os prótons são partículas eletrizadas positivamente, e os elétrons, negativamente. A carga elétrica de um próton tem mesmo valor absoluto que a de um elétron. Como o número de elétrons de um átomo normal é igual ao número de prótons, o átomo é, no seu conjunto, normalmente neutro. (Um maior desenvolvimento sobre este assunto damos no último capítulo).As teorias eletrônicas modernas admitem que nos corpos condutores, certo número de elétrons periféricos pode abandonar o átomo e se tornar elétrons livres. Por sua vez, os átomos que perdem elétrons tornam-se íons positivos. Os elétrons livres que abandonam um átomo podem entrar na coroa de um outro átomo que perdeu elétrons. Assim, nos corpos condutores, os elétrons livres formam um verdadeiro gás de elétrons, com grande mobilidade entre as moléculas. Um corpo eletrizado negativamente é um corpo cujos átomos receberam elétrons livres dos átomos de um outro corpo, de maneira que fica um excesso de elétrons em relação aos prótons. Ao contrário, quando os átomos perdem elétrons, o corpo fica com excesso de prótons e se apresenta eletrizado positivamente.De acordo com essa teoria os isolantes são corpos cujos átomos são constituídos e se acham ligados de tal modo que seus elétrons na quase totalidade não tem grande mobilidade, isto é, não podem tornar-se elétrons livres. Somente haverá elétrons livres se fizermos atuar forças externas ao corpo.

Eletrização por atrito

A eletrização por atrito tem duas características muito importantes.

1a) Quando dois corpos são atritados, ambos se eletrizam: um positivamente e outro negativamente.Uma experiência simples que revela esse fato é a seguinte: um disco de vidro é atritado com um disco de madeira enrolado em seda (fig. 19). Quando separados, o vidro apresenta eletricidade positiva e a seda, negativa. Se depois eles são postos em contato e separados, observaremos que se neutralizaram.

Essa experiência além de mostrar que ambos se eletrizam, mostra que a eletricidade positiva e a negativa foram desenvolvidas em quantidades iguais, porque quando em contato se neutralizaram.

Figura 19

2a) Quando um mesmo corpo se eletriza por atrito com outros corpos, ele não adquire sempre eletricidade positiva, ou sempre negativa. Pode eletrizar-se positiva ou negativamente, de acordo com o outro corpo com o qual é atritado. A seda, por exemplo, atritada com vidro, eletriza-se negativamente; atritada com ebonite, eletriza-se positivamente. As substâncias da lista seguinte eletrizam-se positivamente quando atritadas com as substâncias que as seguem, e negativamente, quando atritadas com as que as precedem: pele de gato - vidro polido - marfim - lã - penas - madeira - papel - seda - goma laca - vidro despolido.

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