Física experimental - eletricidade - magnetismo - óptica

Física experimental - eletricidade - magnetismo - óptica

(Parte 2 de 10)

ZARO, M. A.; BORCHARDT, I. G. E MORAES, J. DA S.. experimentos de física básica: eletricidade, magnetismo e eletromagnetismo. Porto alegre, sagra, 1982. 152 p.

WATAHIN, G.. Eletromagnetismo e Óptica. Campinas, EDUNICAMP, 1974. 3 p.

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_ 1 Física Experimental - Silvio Luiz Rutz da Silva & João Gonçalves Marques Filho

Objetivos

Descobrir quais materiais carregam-se com carga positiva e negativa quando atritados. Explicar o funcionamento de um eletroscópio.

Fundamento teórico

Carga elétrica

J.J. Thomson (1856 - 1940)

Qualquer tipo de matéria é formada por átomos. Estes são tão minúsculos que nenhum microscópio comum permite vê-los. Uma fileira de dez milhões de átomos não chega a medir um milímetro. Contudo, os átomos não são as menores partículas da matéria: eles próprios se compõem de partículas ainda menores, chamadas partículas subatômicas.

No centro de todo átomo existe um conjunto formado por dois tipos de partículas: os prótons e os nêutrons.

Esse conjunto de partículas é o núcleo do átomo. À volta deste núcleo, como se fossem satélites, giram os elétrons, partículas em movimento permanente (figura 1). As trajetórias desses elétrons se organizam em camadas sucessivas chamadas órbitas eletrônicas.

Figura 1

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Os prótons do núcleo e os elétrons das órbitas se atraem entre si. A esta força de atração recíproca chamamos de força elétrica. É a força elétrica que mantém os elétrons girando à volta dos prótons do núcleo. Sem ela, os elétrons se perderiam no espaço e os átomos não existiriam. Os elétrons, entretanto, repelem outros elétrons e os prótons repelem outros prótons. Dizemos, por isto, que as partículas com carga igual se repelem e as partículas com carga oposta se atraem (figura 2).

Figura 2

Convencionou-se chamar a carga dos prótons de positiva (+) e as cargas dos elétrons de negativa (-). Normalmente, cada átomo é eletricamente neutro, em outras palavras, tem quantidades iguais de carga negativa e positiva, ou seja, há tantos prótons em seu núcleo, quantos elétrons ao redor, no exterior. Os prótons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos. Somente os elétrons podem ser transferidos de um corpo para outro. Podemos dizer que um corpo está eletrizado quando possui excesso ou falta de elétrons. Se há excesso de elétrons, o corpo está eletrizado negativamente; se há falta de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente.

A quantidade de elétrons em falta ou em excesso caracteriza a carga elétrica Q do corpo, podendo ser positiva no primeiro caso e negativa no segundo.

Eletrização

Um corpo está eletrizado quando o número de prótons está diferente do número de elétrons e vice-versa. Corpos com cargas iguais se repelem e corpos com cargas diferentes se atraem.

Condutor e isolante

Um condutor é aquele elemento em que os elétrons estão fracamente presos ao núcleo e, por isso, tem fácil locomoção. Um isolante é aquele elemento em que os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo.

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Processos de eletrização

Atrito

Na eletrização por atrito os corpos atritados adquirem cargas de mesmo módulo, mas com sinais contrários (figura 3). Ex.: quando se atrita um canudinho e um pedaço de lã há a transferência de elétrons um para o outro

Figura 3

Contato

Na eletrização por contato os corpos adquirem cargas de mesmo sinal, porém o módulo vai depender das dimensões do corpo. Se os corpos possuírem dimensões iguais às cargas se dividiram igualmente. Após um certo tempo de contato, os corpos irão adquirir cargas iguais e irão se repelir (figura 4).

Figura 4

Indução

Na eletrização por indução usamos três corpos, sendo um neutro (condutor), a terra e um corpo carregado chamado indutor (figrua5). Aproximamos o corpo indutor ao condutor, que está ligado à terra por um fio terra.Pelo fio terra descerá (ou subirá dependendo da situação) elétrons para tentar neutralizar o corpo indutor. Quando se corta o fio terra e afasta o indutor, o condutor ficará carregado. Não encostamos o indutor no condutor, tendo essas cargas de sinais contrários.

Figura 5 Polarização

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Quando um corpo eletrizado se aproxima de um dielétrico cujas moléculas são polares há a polarização do dielétrico (figura 6). A presença de um corpo eletrizado (no caso positivamente) atrai o lado negativo de cada molécula, fazendo com que as moléculas do dielétrico se orientem, com o lado negativo voltado para o corpo eletrizado. Se o dielétrico for de moléculas apolares elas irão se tornar polares devido a presença do corpo eletrizado.

Figura 6

Eletroscópio

Qualquer dispositivo que permite saber se um objeto está ou não eletrizado se chama eletroscópio. O eletroscópio geralmente é neutro. Há dois tipos de eletroscópio:

Pêndulo

Ao aproximarmos um corpo próximo ao pêndulo neutro se ele for atraído mostra que ele está carregado positivamente ou negativamente (figura 7).

Figura 7

Folhas

É usado mais em laboratórios (figura 8). É constituído por uma haste metálica com duas folhas metálicas na parte inferior e uma esfera metálica na parte superior. Quando aproximamos um corpo eletrizado para perto da esfera e se as folhas se fecharem é que o corpo eletrizado tem sinal contrário ao das folhas do eletroscópio.

Figura 8

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Objetivos

Desenhar as linhas de força para vários formatos de eletrodos, tendo como base experimental a cuba.

Comparar se as linhas de força são realmente perpendiculares às equipotenciais para o caso de placas paralelas e circulares.

Encontrar a carga máxima que pode ser armazenada no gerador do laboratório.

Fundamento teórico

Os fenômenos eletrostáticos são conhecidos desde o tempo dos gregos. Naquela época já se sabia que o âmbar, atritado com um pedaço de lã, era capaz de atrair pequenos pedaços de fibra vegetal (palha, linho, etc.). E, durante vários séculos o fenômeno foi considerado apenas como uma curiosidade natural. Mas, em 1600, o médico inglês William Gilbert publicou o primeiro tratado a respeito da eletricidade, no qual fazia referência às cargas elétricas geradas por atrito.

Seu trabalho deu origem às primeiras "máquinas eletrostáticas", que produziam eletricidade pelo atrito de um disco de âmbar entre dois pedaços de pele de carneiro. Mais tarde, em 1752, Benjamin Franklin chegava à conclusão de seus trabalhos em eletricidade atmosférica, nos quais provava a existência de cargas elétricas no ar.

Estes conceitos básicos sobre a natureza da eletricidade levaram à conclusão de que as máquinas eletrostáticas produziam e armazenavam cargas elétricas, sem contudo poder movimentá-las, devido às propriedades isolantes dos materiais usados em sua construção. Só se conseguiu compreender as propriedades elétricas dos vários materiais isolantes e condutores após o desenvolvimento das teorias a respeito do átomo.

Sabe-se, atualmente, que um determinado material é isolante porque o elétrons de seus átomos não gozam de mobilidade, como acontece no caso dos átomos de metais, que são bons condutores. Ao serem produzidas, as cargas permanecem na superfície do material isolante, até que sejam retiradas por um corpo condutor.

_ 6 Física Experimental - Silvio Luiz Rutz da Silva & João Gonçalves Marques Filho

Este fato é aproveitado para a construção dos geradores eletrostáticos do tipo Van de Graff; tendo aparecido em 1930, destinam-se a produzir voltagens muito elevadas para serem usadas em experiências de física.

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