Telecurso 2000. Física Completo. - 36

Telecurso 2000. Física Completo. - 36

(Parte 1 de 2)

36 AULA

Fazia tempo que nªo chovia. O ar estava seco.

Maristela passava um pente de plÆstico no cabelo enquanto era observada por Ernesto.

-Olha como o cabelo Ø atraído pelo pente! Parece que quem faz isso Ø a eletricidade!

-É verdade. Eu jÆ vi isso na Estaçªo CiŒncia. Era verdadeiramente um experimento de arrepiar os cabelos. Uma pessoa estava em cima de um banquinho, ligada a uma mÆquina que produzia eletricidade. À medida que ela ia recebendo eletricidade, seus cabelos ficavam cada vez mais arrepiados. AlØm disso, a mÆquina era capaz de produzir faíscas enormes. Pareciam atØ relâmpagos!

O início da eletricidade

A eletricidade estÆ presente na vida cotidiana de todos nós: em lâmpadas, rÆdios, TV, motores e muitas outras coisas. Mas nós nªo conseguimos ver nem ouvir a eletricidade propriamente dita. É claro que vemos a luz de uma lâmpada que foi gerada pela eletricidade. O mesmo acontece com o som de um rÆdio ou televisªo; quem isso tudo Ø a eletricidade. Mas nossos conhecimentos sobre a eletricidade foram, durante muito tempo, muito reduzidos.

O âmbar Ø uma espØcie de resina produzida por Ærvores hÆ milhıes de anos. Depois da morte da Ærvore, e com o passar do tempo, essa resina transforma-se numa pedra amarelada que recebe o nome de âmbar. Algumas vezes, um inseto aprisionado na resina solidificava-se junto com o âmbar. Esse Ø mais um atrativo para o estudo dessas pedras.

HÆ cerca de 2.500 anos, o filósofo grego Tales observou que, quando atritava um pedaço de âmbar num pedaço de couro macio, o âmbar era capaz de atrair objetos leves, como penas ou pedaços de palha.

Talvez Tales estivesse preocupado apenas em polir o âmbar para melhor observar um inseto no seu interior, ou para tornÆ-lo mais brilhante. PorØm, quando o âmbar foi atritado, adquiriu outra característica, alØm do brilho. Ele tornou-se capaz de atrair pequenos objetos. Ele adquiriu eletricidade! O nome eletricidade vem dessa Øpoca, pois elØtron era, exatamente, o nome do âmbar em grego antigo.

Ô, raios!

36 A U L A

AULA´mbar e ímªs

O âmbar reinou sozinho durante quase 2.0 anos como a œnica substância conhecida que, quando atritada, era capaz de atrair pequenos objetos.

O versorium de Gilbert

Gilbert construiu seu aparelho usando os mesmos princípios utilizados numa bœssola. Esse aparelho era feito com uma haste metÆlica muito leve, cuja parte central era apoiada numa espØcie de alfinete pontiagudo. A haste tinha a forma de uma flecha, para que se soubesse em que direçªo ela apontava. Daí o nome versorium de Gilbert. Versorium Ø uma palavra latina que indica direçªo. VocŒ pode construir um versorium de Gilbert usando uma tira de lata de refrigerante ou de cerveja. A tira Ø dobrada, como mostra a figura, e equilibrada num alfinete espetado numa rolha. O alfinete deve ser cortado antes e sua ponta deve estar para fora da rolha.

Em 1600, o inglŒs William Gilbert estava interessado em estudar problemas relacionados ao magnetismo de certos materiais, ao magnetismo terrestre e coisas semelhantes. Gilbert notou que o comportamento do âmbar atraindo pequenos objetos era parecido com o de um ímª, atraindo pequenos pedaços de ferro. Como Gilbert jÆ tinha usado bœssolas para estudar o comportamento dos ímªs, construiu um aparelho que parecia uma bœssola, mas cuja agulha nªo era feita de material magnØtico. Dessa maneira, quando ele passava um ímª perto de seu aparelho, chamado de versorium, a agulha nªo era atraída pelo mesmo. Com esse aparelho, Gilbert passou a estudar outras substâncias e descobriu que muitas comportavam-se como o âmbar. Quando atritadas com um pedaço de couro macio, eram capazes de atrair a agulha do aparelho.

Gilbert descobriu assim, muitos materiais eletrizÆveis, isto Ø, capazes de adquirir eletricidade quando atritados. Da mesma maneira que acontece com o âmbar , segundo as palavras de Gilbert.

Entªo, apesar de existirem semelhanças atØ quanto ao instrumento usado nas anÆlises de Gilbert, as atraçıes magnØticas e elØtricas eram diferentes. Um ímª nªo atrai a agulha de um versórium, mas atrai a agulha de uma bœssola. Um corpo eletrizado atrai as duas agulhas. Explicar o comportamento dos corpos eletrizados Ø o objetivo principal desta aula.

Hoje em dia temos uma quantidade enorme de substâncias que podem ser eletrizadas quando atritadas com outras. Os plÆsticos sªo os melhores representantes disso. O pente usado por Maristela, atraindo seus cabelos, pode bem servir de exemplo. A atraçªo do cabelo pelo pente Ø um fenômeno elØtrico. Se aproximÆssemos um ímª do cabelo de Maristela, o ímª nªo iria, Ø claro, atrair o cabelo de Maristela. Essa atraçªo nªo Ø magnØtica.

Figura 1

AULAAtraçªo e repulsªo

Para estudar um pouco mais o comportamento dos corpos eletrizados, ou seja, para entrar na parte da eletrostÆtica propriamente dita, vamos construir um pequeno aparelho que vai nos esclarecer bastante. Para isso vocŒ vai necessitar de material muito semelhante ao que Ø utilizado na construçªo de um versorium de Gilbert: uma rolha, um alfinete e canudos de refresco, alØm de um pedaço de isopor, um saco plÆstico (de lixo) e papel higiŒnico.

Espete o alfinete na rolha, deixando a ponta dele para fora. Dobre o canudo de refresco na metade e tente equilibrÆ-lo na ponta do alfinete, como aparece na Figura 2. Para isso, o canudo deve ser um pouco amassado. Se o canudo ficar batendo na superfície de apoio, coloque tudo sobre uma pequena caixa ou um suporte qualquer.

Retire o canudo de sua posiçªo e atrite uma de suas extremidades com o papel higiŒnico. Para isso, proceda da seguinte maneira: segure o canudo, envolva-o com o papel, aperte firmemente o papel e puxe. Veja que, quando vocŒ aproxima o dedo do canudo, o canudo parece atraído pelo dedo. Se, agora, vocŒ atritar outro canudo com o papel higiŒnico e aproximÆ-lo do canudo suspenso, ele serÆ repelido. Conclusªo: os corpos carregados eletricamente podem atrair um corpo neutro ou ser repelidos por outros carregados.

Atrite agora o pedaço de isopor com papel higiŒnico e, em seguida, aproxime o isopor do canudo. VocŒ vai notar que o canudo Ø atraído. Se vocŒ tivesse atritado o isopor no saco plÆstico, o isopor iria repelir o canudo. Ou seja: os materiais, quando atritados uns com os outros, podem se comportar de duas maneiras diferentes, atraindo-se ou repelindo-se.

Quando os dois materiais estªo se repelindo, diremos que durante o atrito eles adquiriram cargas elØtricas iguais. Se eles se atraem, diremos que adquiriram cargas elØtricas opostas. Essas cargas opostas sªo denominadas positivas e negativas. Assim, podemos dizer que dois objetos que tiverem cargas de mesmo sinal se repelem e, se tiverem cargas de sinal contrÆrio, se atraem.

Para que o homem pudesse compreender melhor esse processo, foi necessÆrio descobrir do que Ø feita a própria matØria. Hoje sabemos que todos corpos sªo constituídos por Ætomos, e que os Ætomos sªo constituídos por partículas menores: os prótons, elØtrons e nŒutrons.

Figura 2 Figura 3

AULAOs prótons possuem carga elØtrica positiva; os elØtrons possuem carga negativa e os

nŒutrons, como o próprio nome indica, sªo desprovidos de carga elØ- trica. Os prótons e nŒutrons ocupam a parte central do Ætomo - o nœcleo. Os elØtrons orbitam ao redor do nœcleo. O nœmero de prótons e de elØ- trons em um Ætomo em estado normal Ø o mesmo. Quando atritamos um canudo de refresco com o papel, estamos transferindo cargas elØtricas de um para outro. As cargas de mais mobilidade no Ætomo, os elØtrons, sªo as que sªo deslocadas durante o processo. Assim, quando o canudo Ø atritado com o papel, uma certa quantidade de elØtrons passa do papel para o canudo. O canudo fica, dessa maneira, com excesso de cargas negativas. Ele fica carregado negativamente.

O papel, por ter perdido esses elØtrons, fica carregado positivamente durante certo tempo. Dizemos durante certo tempo porque os corpos carregados vªo acabar atraindo cargas de sinal oposto às cargas que tŒm em excesso, voltando a ser neutros.

O ar, os objetos que nos rodeiam e a Terra, principalmente, sªo os responsÆveis pelo fornecimento dos elØtrons de que os corpos carregados positivamente necessitam. Para esses lugares tambØm vªo os elØtrons dos corpos que estªo carregados negativamente.

Maneiras de carregar eletricamente um corpo

Carregando por contato

JÆ vimos que Ø possível carregar um canudo de refresco atritando-o com papel higiŒnico. Mas, se segurÆssemos um pedaço de metal para atritÆ-lo com outro material, com o objetivo de carregar eletricamente esse metal, seríamos mal-sucedidos. Isso porque os seres humanos e os metais sªo bons condutores de eletricidade, isto Ø, as cargas elØtricas passam facilmente por nosso corpo e pelos metais. Assim, mesmo que conseguíssemos arrancar alguns elØtrons durante o processo, essas cargas seriam neutralizadas quase imediatamente. Elas acabariam indo para a Terra.

Alguns materiais, como o papel, conduzem a eletricidade em certas condiçıes, quando o ar nªo estÆ muito seco, por exemplo. Como veremos pouco mais adiante, as voltagens envolvidas em alguns experimentos simples que descreveremos sªo bastante elevadas. Mas, apesar disso, nªo existe perigo algum em realizar as atividades propostas.

Existem tambØm os corpos que nªo permitem que as cargas elØtricas passem facilmente atravØs deles. Sªo os maus condutores ou isolantes. O canudo de refresco Ø um bom isolante.

Figura 4

AULAMas, serÆ que conseguiríamos carregar uma folha de metal? A resposta Ø afirmativa. Vamos fazer um experi-

mento que demonstra como isso pode ser conseguido. Como nªo podemos segurar o metal, pois as cargas acabariam indo para Terra, devemos segurar o metal com um isolante.

A Figura 5 mostra o material de que precisamos. Um pedaço de metal (uma tampa de lata ou um pedaço de papel de alumínio) Ø colado num canudo de refresco. O conjunto Ø suportado por massinha de modelar (ou pode ser espetado numa batata).

Agora podemos carregar um canudo de refresco por atrito com papel e passar esse canudo, vÆrias vezes, sobre a parte metÆlica. Algumas cargas do canudo vªo passar para a placa metÆlica. A placa vai ficar com a mesma carga que o canudo. Podemos verificar isso usando o nosso versorium feito com canudo. Se carregarmos o canudo do versorium atritando-o com papel e, em seguida, aproximarmos a placa carregada, veremos que o canudo Ø repelido.

Para carregar a placa foi necessÆrio tocÆ-la com o canudo. Por isso, esse mØtodo Ø denominado carregar por contato.

Carregando por induçªo

Se a carga de um canudo de refresco atritado com um papel higiŒnico Ø negativa, quando carregamos por contato a placa metÆlica, a carga obtida Ø tambØm negativa. Mas existe uma maneira de carregar positivamente a mesma placa, com o mesmo canudo. É o que chamamos de carregar por induçªo.

Observe a seqüŒncia da Figura 6. De início temos a placa metÆlica que estÆ eletricamente neutra; o canudo, carregado negativamente, estÆ próximo da placa. Ora, o canudo vai repelir os elØtrons para o lado oposto. Assim, na placa, perto do canudo, teremos cargas positivas. Do lado oposto, cargas negativas. No total, porØm, temos o mesmo nœmero de cargas positivas e negativas dentro da placa. Ela estÆ, globalmente, neutra. Se retirarmos o canudo de sua posiçªo, tudo volta a ser como era antes: placa neutra.

Veja agora o que se passa na segunda figura. Encostamos um dedo na placa e aproximamos o canudo carregado negativamente. As cargas negativas do canudo repelem as cargas negativas da placa; algumas das cargas negativas passam para o dedo. Quando retiramos o dedo, aquelas cargas que tinham penetrado nele nªo podem mais voltar. Finalmente, quando o canudo Ø retirado, vªo ficar espalhadas pela placa algumas cargas positivas. Esse processo chamase carregar por induçªo. Note que quando carregamos um corpo por induçªo usando um objeto carregado negativamente, o corpo vai ficar carregado positivamente, e vice-versa.

Figura 5 Figura 6

AULAComo um corpo carregado atrai um corpo descarregado

Vamos construir mais um dispositivo que vai nos permitir entender melhor o nosso assunto. Para isso precisamos de trŒs canudos de refresco, um pouco de massinha de modelar, fio de meia de nylon, fita adesiva, um pedaço de papel de alumínio, cola branca e papel higiŒnico. Com isso construiremos o aparelho semelhante ao que estÆ na Figura 7.

Inicialmente recortamos um pequeno disco de papel de alumínio e o colamos no fio de meia. Em seguida, a outra extremidade do fio Ø colada num canudo. Unimos os dois canudos com fita adesiva e espetamos o conjunto num pedaço de massa de modelar (ou numa batata, como jÆ dissemos). Esse dispositivo Ø denominado pŒndulo eletrostÆtico.

Se agora atritarmos o canudo com o papel higiŒnico e o aproximarmos do disco do pŒndulo eletrostÆtico, o disco, mesmo estando neutro, vai ser atraído pelo canudo. Isto acontece porque, como vimos, as cargas se separam quando aproximamos um canudo carregado de um pedaço de metal. O que vai acontecer? Existem cargas que empurram o pŒndulo na direçªo do canudo e um mesmo nœmero de cargas que o empurram na direçªo contrÆria. Quem vai vencer? Como as cargas positivas do pŒndulo estªo mais perto do canudo, elas serªo atraídas com mais força. Entªo, todo o pŒndulo vai se mover na direçªo do canudo. Ver Figura 8.

O que vai acontecer depois disso? O disco atraído pelo canudo toca o canudo e recebe uma carga igual à dele (ele Ø carregado por contato). Agora, os dois estªo com a mesma carga e vªo se repelir.

Em todos os mØtodos de carregar eletricamente um corpo que descrevemos, as cargas, depois de serem transferidas de um corpo para outro, permanecem dentro desse corpo e nªo se movimentam para outros lugares. Por isso chamamos de eletrostÆtica esta parte da eletricidade.

Para saber se um corpo estÆ carregado eletricamente ou nªo, podemos usar os mais diversos aparelhos. Mesmo um pŒndulo serviria para saber se um corpo estÆ ou nªo carregado. Todavia, o mais aparelho mais conhecido Ø o eletroscópio de folha. Antigamente ele era chamado de eletroscópio de folhas de ouro, metal utilizado em sua confecçªo.

Figura 7 Figura 8

AULAPara construir o eletroscópio precisamos de um pedaço de cartªo, canudos de refresco, massa de modelar, uma tirinha de papel de bala (do tipo usado para embrulhar balas de coco em aniversÆrios), cola e fita adesiva.

Recorta-se um retângulo de cartªo de 2,5 cm por 1 cm aproximadamente. Em seguida recorta-se, do mesmo cartªo, um círculo de uns 4 cm de diâmetro. Esse círculo Ø colado, com fita adesiva, numa das extremidades do retângulo. Ver Figura 9.

Depois cola-se uma tirinha de papel de bala na parte superior do retângulo. A fita deve ser colada apenas por sua parte superior.

A parte inferior da fita deve poder se mover livremente. Todo esse conjunto Ø colado com fita adesiva num canudo de refresco.

O eletroscópio pode, agora, ser usado. Inicialmente vamos carregÆ-lo por contato. Para isso, basta carregar um canudo por atrito e passÆ-lo no disco do eletroscópio. Todo o eletroscópio adquire a carga do canudo e, como a tirinha de papel tem a mesma carga do cartªo, ela Ø repelida. Ela vai ficar como estÆ representado na Figura 10.

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