ETEC Apostila - Eletricidade Básica

ETEC Apostila - Eletricidade Básica

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Apostila - Eletricidade Básica

Conceitos da Eletrostática

1 - Pequeno histórico da eletrostática

Já havia algumas descrições isoladas sobre a eletricidade, na época da

Grécia. Tales de Mileto (640?-546 A.C.) descreveu que friccionado, o âmbar adquiria a propriedade de atrair corpos leves. Também Teofrasto, na sua descrição sobre jóias, tabelou os nomes de outros minérios que se carregavam de 'eletricidade' através de fricção. No início, pela semelhança aparente de sua ação com a do magnetismo, foram às vezes confundidas. Suas diferenças foram esclarecidas primeiramente por Cardano (1501-1576).

No século XVII, Boyle tratou o problema da atração elétrica e demonstrou que esta se propaga também no vácuo. Até essa época, não se conhecia a repulsão elétrica, que foi descoberta depois, por Von Guericke (1602-1686). Ele inventou o gerador de fricção, bastante primitivo, que consistia em produzir eletricidade pelo contato da mão com uma esfera girante de enxofre.

No século XVIII, o desenvolvimento desse ramo foi acelerado rapidamente. Gray (1670?-1736) introduziu o conceito de condutibilidade elétrica, Du Fay

(1698-1739) descobriu que não só alguns minérios, além do âmbar, mas todos os corpos isolados carregavam-se de eletricidade pela fricção e também a existência de duas espécies de eletricidade, a positiva e a negativa. [A denominação, positiva e negativa, foi introduzida em 1747 por Franklin

(1706-1790).] Em 1745 foi descoberta a 'garrafa de Leiden', por Kleist (?- 1748), e em 1746 por van Musschenbroeck (1692-1761). A eletricidade atmosférica, a piroeletricidade, eletricidade dos animais, a indução eletrostática, o eletroscópio etc. foram descobertos na segunda metade do século XVIII. Acumulando essas descrições classificadas, começaram a ser examinadas as suas propriedades comuns e a obterem-se leis entre elas; de fato, em 1785, foi descoberta por Coulomb (1736-1806) uma lei quantitativa em que a força entre duas cargas elétricas é proporcional ao produto das quantidades de eletricidade, e inversamente ao quadrado da distância entre elas. As pilhas foram inventadas na mesma época pelas pesquisas de Galvani (1737-1798) e Volta (1745-1827) e melhoradas por Daniell (1790-1845), Grove (1811-1896),

Bunsen (1811-1899) e outros. Isso possibilitou a obtenção da corrente elétrica estacionária e, desde então, a pesquisa da eletrologia desenvolveu-se rapidamente.

A ação química da corrente elétrica foi descoberta por Faraday (1791-1867) em 1833.

2 - Conceitos da Eletrostática

A carga elétrica é considerada como sendo uma propriedade que se manifesta em algumas das chamadas partículas elementares; por exemplo, nos prótons e elétrons.

Os prótons e elétrons são os portadores do que denominamos carga elétrica, mas esta propriedade não se manifesta exatamente da mesma forma nessas partículas; convencionou-se, então, a chamar a carga elétrica dos prótons de positiva (+) e a dos elétrons de negativa (-).

Experiências realizadas no transcorrer do início do século X, notadamente por Millikan, permitiram verificar que prótons e elétrons apresentam cargas elétricas de mesmo valor absoluto e que a quantidade de carga apresentada por ambos corresponde à menor quantidade de carga que uma partícula pode ter; a este valor chamamos de carga elementar e representa-se por e.

O valor desta carga e no SI - Sistema Internacional - é dado por 1,6· 10-19 coulomb.

Corpo eletricamente neutro e corpo eletrizado

Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura.

Quando, por um processador qualquer, se consegue desequilibrar o número de prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado. O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso ou em falta. Por exemplo, se um determinado corpo possui um número de prótons maior que o de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente, se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é dito eletrizado negativamente.

Princípios Fundamentais da Eletrostática

Princípio das ações elétricas : cargas elétricas de sinais iguais se repelem e de sinais contrários se atraem.

Princípio da conservação das cargas elétricas : num sistema eletricamente isolado a carga elétrica total permanece constante.

Processos de eletrização

Podem ser de três tipos.

positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se negativamente

Atrito : processo conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e que consiste em se atrair corpos inicialmente neutros; durante a fase do atrito ocorre a transferência de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica eletrizado

Na eletrização por atrito os corpos sempre se eletrizam com cargas iguais mas de sinais contrários. Os sinais que as cargas irão adquirir depende, dos tipos de substâncias que serão atritadas.

Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de mesmo sinal

Contato : um corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente carregado.

Indução eletrostática : um corpo é eletrizado apenas pela aproximação de um outro corpo previamente eletrizado, todavia, para que esta eletrização se mantenha é necessário de utilizar de um simples artifício, sem o qual o corpo volta ao seu estado

anterior
contrário à do corpo indutor

Na eletrização por indução, o corpo induzido sempre se eletriza com carg de sinal

A eletricidade como ciência data de 600 a.C, quando os gregos observaram que uma pedra de âmbar, ao ser atritada com lã, adquiria a capacidade de atrair para si pequenos objetos.

Quando um bastão de vidro é atritado com seda, adquire essa capacidade graças à passagem de algo, de um corpo para outro. Esse algo, transferido durante a fricção dos corpos é chamado genericamente de cargas elétricas, e os corpos nesse estado se encontram carregados de eletricidade, isto é, se encontram eletrizados.

Diversas teorias foram propostas para justificar tais fenômenos elétricos. Atualmente, eles são explicados da seguinte maneira: Todos os corpos são formados de átomos, os quais são constituídos de partículas elementares, sendo as principais: elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e os nêutrons acham-se localizados na parte central do átomo chamado de núcleo. Ao redor do núcleo movem-se os elétrons.Os prótons em presença se repelem, o mesmo acontecendo com os elétrons. Entre um elétron e um próton há atração.Estes comportamentos são idênticos aos observados entre os bastões de vidro e os panos de lã.Para explicá-los associa-se aos prótons e aos elétrons uma propriedade física denominada carga elétrica. Os prótons e os elétrons apresentam efeitos elétricos opostos. Por esse motivo, há duas espécie de cargas elétricas: positiva (carga elétrica do próton) e negativa ( carga elétrica do elétron) Os nêutrons não tem carga elétrica.

Num átomo, o numero de prótons é igual ao numero de elétrons, e o átomo, como um todo, é eletricamente neutro.

Ao atritarmos o bastão de vidro e o pano de lã, ocorreu uma troca de elétrons entre o bastão e o pano de lã, de modo que um ficou com falta de elétrons e o outro com excesso de elétrons.

Os corpos que apresentam excesso ou falta de elétrons são chamados de corpos eletrizados.

Principio da Eletrostática

A eletrostática é a parte da física que estuda as propriedades e a ação mútuas das cargas elétricas em repouso em relação a um sistema inercial de referência.

O principio da ação e repulsão diz que: cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.

O principio da conservação das cargas elétricas diz: num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas positivas e negativas é constante. Considere dois corpos A e

B com cargas Q1 e Q2 respectivamente, admitamos que houve troca de cargas entre os corpos e os mesmos ficaram com cargas Q1’ e Q2’ respectivamente. Temos então pelo principio da conservação das cargas elétricas que: Q1 + Q2 = Q1’ + Q2’ = constante.

Condutores e isolantes

Segurando uma barra de vidro por uma das extremidades e atritando a outra com um pano de lã, somente a extremidade atritada se eletriza. Isto significa que as cargas elétricas em excesso localizam-se em determinada região e não se espalha.

Fazendo o mesmo com uma carga metálica , esta não se eletriza.

Repetindo o processo anterior, mas segurando a barra metálica por meio de um barbante, a barra metálica se eletriza e as cargas em excesso se espalham pela superfície.

Os materiais , como o vidro, que conservam as cargas nas regiões onde elas surgem são chamada de isolantes ou dielétricos. Os materiais, nos quais as cargas se espalham imediatamente , são chamados de condutores. È o caso dos metais, do corpo humano e do solo. Ao atritarmos a barra metálica, segurando-a diretamente com as mãos, as cargas elétricas em excesso espalham-se pelo metal, pelo corpo e pela terra que são condutores. Com isso, a barra metálica não se eletriza devido as suas dimensões serem reduzidas em relação as dimensões da terra. Deste fato, se ligarmos um condutor eletrizado à terra, este se descarrega.

Quando um condutor estiver eletrizado positivamente, elétrons sobem da terra para o condutor, neutralizando seu excesso de cargas positivas. Quando um condutor estiver eletrizado negativamente, seus elétrons em excesso escoam para a terra.

Poder das pontas

Sabe-se que num condutor carregado em equilíbrio, a carga elétrica se distribui apenas na superfície externa. Mas essa distribuição de carga só é influenciada no caso muito particular de um condutor esférico afastado da influência de outros condutores.

No caso mais geral, a distribuição das cargas elétricas é muito regular. Dai, ter-se definido uma nova grandeza , chamada densidade de carga supercial.

Verificou-se experimentalmente que, quato menor era o raio de curvatura de uma pequena região de um condutor carregado, maior era a densidade superfical de carga. Dai haver grande acumulo de cargas elétricas nas regiões pontiagudas.

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