Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto Gaspar

Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto...

(Parte 3 de 7)

Figura a indutor induzido indutor induzido

Figura b

B induzido

B induzido

Figura c

Eletrização por indução

Um dos significados mais comuns do verbo induzir se refere a conseguir que alguém faça alguma coisa indiretamente. É por isso que os pais se preocupam em saber com quem seus filhos andam. Temem que sejam influenciados ou induzidos a práticas inconvenientes. Em Física, o significado do verbo induzir é semelhante, sem o aspecto moral, obviamente. Eletrizar um corpo por indução é fazer com que ele adquira ou perca elétrons a distância, sem ação direta.

No processo de indução não há contato direto entre os corpos. Basta aproximar um corpo carregado, o indutor, de um corpo neutro a ser carregado, o induzido. O induzido deve estar ligado temporariamente à Terra ou a um corpo maior que lhe forneça elétrons ou que dele os receba, num fluxo provocado pela presença do indutor. Caso contrário, o induzido apenas se mantém eletricamente polarizado enquanto o indutor estiver presente.

Em princípio, pode-se admitir que a Terra é um corpo suficientemente grande para receber ou ceder qualquer quantidade de elétrons. No entanto, essa é uma explicação provisória, que será reformulada mais adiante, quando introduzirmos o conceito de capacidade elétrica.

As figuras abaixo ilustram o processo de eletrização por indução. Observe que o induzido adquire cargas elétricas opostas às do indutor. Nas figuras, A é o indutor, corpo carregado positiva ou negativamente, e B, o induzido, corpo eletricamente neutro.

T representa um corpo maior, de material condutor (a Terra, por exemplo). A presença de A junto ao corpo B provoca a separação das cargas de B; o corpo B fica polarizado (a). Ligando-se B à Terra, sobem elétrons para B se A estiver positivamente carregado, ou escoam elétrons de B para a Terra se A estiver negativamente carregado (b). Interrompendo- -se a ligação de B com a Terra, ele torna-se eletricamente carregado (c).

Esses diferentes processos de eletrização podem ser produzidos mecanicamente, por meio de máquinas ou geradores eletrostáticos, dispositivos atualmente em desuso, mas que ainda têm interesse didático e histórico.

capítulo 1 – introdução à eletricidade 19

O mais simples deles é o pêndulo eletrostático. Trata-se de um corpo leve: uma pequena esfera, por exemplo, suspensa por um fio fino e isolante. Se a esfera estiver neutra, será atraída por qualquer corpo eletrizado que dela se aproximar. Isso ocorre porque a presença do corpo eletrizado polariza eletricamente a esfera. O corpo e o lado da esfera voltado para ele têm cargas elétricas opostas, por isso a esfera é atraída. Vejas as figuras abaixo. Note que a esfera atraída continua neutra, mas a distância entre as partículas dela com cargas opostas às do corpo eletrizado é menor.

Esquema de funcionamento do pêndulo eletrostático.

Outro dispositivo detector é o eletroscópio. Existem diversos tipos de eletroscópio — os dois mais comuns estão representados nas fotos a seguir.

Eletroscópio com uma lâmina móvel.

4. Detectores eletrostáticos

Só é possível perceber se um corpo está carregado eletricamente utilizando-se algum dispositivo sensível à presença da eletricidade. Esses dispositivos podem ser chamados de detectores eletrostáticos, porque apenas detectam se o corpo está ou não eletrizado. São eletrostáticos porque detectam a presença de portadores de cargas elétricas estáticas em repouso no corpo. Como as máquinas eletrostáticas, esses dispositivos atualmente só têm aplicação e interesse didáticos.

máquin as eletr ostátic as

Máquinas eletrostáticas são dispositivos capazes de eletrizar corpos por meios mecânicos. São chamadas também de geradores por razões históricas, mas, como sabemos, não é possível gerar cargas elétricas. O que essas máquinas fazem é separar as partículas portadoras de cargas elétricas por meio dos processos de eletrização: contato, em geral por meio do atrito, e indução. São chamadas também de eletrostáticas porque, à medida que são separadas, as partículas portadoras das cargas elétricas ficam armazenadas, isoladas e estáticas em partes distintas dessas máquinas, até que, por excesso ou alguma ação externa, escoem entre essas partes ou para o meio externo. Essa é uma explicação provisória, pois uma explicação mais aprofundada do que ocorre precisa de conceitos que ainda não foram apresentados.

A figura abaixo mostra uma máquina eletrostática construída pelo físico e abade francês Jean- -Antoine Nollet (1700-1770) no início do século XVIII. Ao girar a manivela, fazia-se girar também uma esfera de enxofre, provavelmente atritada pela mão do experimentador (parte esquerda da figura).

20 unidade 1 – eletrostÁtica

1. Uma experiência clássica da Eletrostática está representada nas figuras a seguir:

vidro atritadocom sedaebonite atritada com lã atração vidro atritadocom sedavidro atritado com seda repulsão Figura a ebonite atritadacom lãvidro atritado com seda atração ebonite atritadacom lãebonite atritada com lã repulsão Figura b

Um bastão de vidro e um de ebonite, atritados respectivamente com seda e lã, são aproximados de dois outros bastões dos mesmos materiais, também atritados com seda e lã e pendurados horizontalmente por fios isolantes. Em a, o bastão de vidro atritado com seda repele o outro bastão de vidro também atritado com seda, mas atrai o bastão de ebonite atritado com lã. Em b, o bastão de ebonite atritado com lã atrai o bastão de vidro atritado com seda, mas repele o bastão de ebonite atritado com lã.

a) Que conclusões é possível tirar dessa experiência em relação às propriedades das cargas elétricas? b) Sabendo-se que a carga adquirida pelo vidro é positiva, qual a carga elétrica de cada corpo (ebonite, seda e lã) descrito na experiência?

Trata-se de um eletroscópio com uma lâmina móvel.

Como a haste, a lâmina e o disco externo são condutores e estão isolados da armação externa, se o eletroscópio estiver eletricamente carregado, a haste fixa e a lâmina móvel adquirem a mesma carga e repelem-se. Pela deflexão da lâmina (ou seja, pelo afastamento dela em relação à haste) decorrente dessa repulsão, pode-se avaliar a quantidade de carga armazenada no dispositivo.

Além dessa qualidade, o eletroscópio tem outra vantagem em relação ao pêndulo eletrostático: um eletroscópio carregado é facilmente identificável; um pêndulo carregado, não.

Vamos discutir, nos exercícios a seguir, algumas experiências eletrostáticas que permitem a abordagem das principais ideias apresentadas até aqui.

eletroscÓpio carregado e pÊndulo carregado

O pêndulo carregado (indutor) é atraído pelo bastão induzido.

Suponha que você aproxime um bastão neutro isolante da esfera de um pêndulo eletrostático carregado.

O bastão neutro, por indução, torna-se eletricamente polarizado. Isso faz a esfera ser atraída pelo bastão neutro.

Como a esfera está livre para se mover e é muito mais leve que o bastão, não há como saber, só por essa observação, qual dos dois corpos está eletrizado.

Pelo que se observa não é possível perceber nenhuma diferença entre essa situação e aquela em que o bastão está carregado e a esfera, neutra.

Por essa razão, antes de utilizar um pêndulo eletrostático, deve-se descarregá-lo eletricamente, o que pode ser feito ao estabelecer uma ligação temporária do pêndulo com a Terra, tocando a esfera com o dedo, por exemplo.

Num eletroscópio, esse problema não existe — o eletroscópio “avisa” quando está carregado, pois, nesse caso, suas lâminas ficam afastadas.

atração

capítulo 1 – introdução à eletricidade 21 res olução

O atrito entre o canudo e o papel provoca a troca de elétrons entre eles — ambos se eletrizam. De acordo com a série triboelétrica (reveja a série triboelétrica na página 17), o mais provável é que o papel perca elétrons para o canudo. Como o canudo é de plástico, fica eletricamente negativo. Ao encostar o canudo na parede, elétrons dos materiais de que é feita a parede são repelidos, como está representado esquematicamente a seguir: o canudo, com carga elétrica negativa, e a região da parede junto a ele, com carga elétrica positiva.

parede canudo de refresco

Assim, o canudo e a parede passam a atrair-se eletricamente. Mas, como o canudo é isolante (o plástico é um excelente isolante), a troca de elétrons entre os dois corpos é muito lenta e reduzida, então o canudo e a parede permanecem grudados.

Observações

1a) Há canudos de diferentes tipos de plástico, por isso é impossível situá-los com precisão na série triboelétrica, mas, como todos os materiais plásticos dessa série são “recebedores” de elétrons, nós os consideramos também “recebedores” de elétrons.

2a) Aos poucos os elétrons do canudo passam para a parede ou para o ar. Pode-se ter certeza disso porque, com o tempo, o canudo acaba caindo, o que significa que a força de atração elétrica entre o canudo e a parede diminui.

3a) A força de atração elétrica prende o canudo à parede, mas não o impede de deslizar para baixo. Para que o canudo não deslize, é preciso que haja uma força de atrito exercida pela parede sobre ele capaz de equilibrar o seu peso. Senão, se a parede for muito lisa, o canudo pode se manter grudado nela, mas escorrega e cai.

res olução a) Quanto aos pares de corpos atritados de mesmo material, pode-se concluir que as cargas elétricas adquiridas são de mesma espécie e que cargas elétricas de mesma espécie se repelem, pois os dois bastões de vidro atritados com seda e os dois bastões de ebonite atritados com lã se repelem. Por outro lado, a atração entre os bastões de vidro e os de ebonite mostra que as cargas elétricas que eles adquirem não são de mesma espécie. Essas observações permitem duas conclusões:

• Existem duas espécies de eletricidade: a adquirida pelo vidro atritado com seda e a adquirida pela ebonite atritada com lã.

• Cargas elétricas de mesma espécie se repelem e de espécies diferentes se atraem.

b) Sendo a carga elétrica do vidro positiva, como a eletrização foi conseguida por atrito, a carga elétrica da seda é negativa. Se a ebonite atritada com lã é atraída pelo vidro, a sua carga elétrica é negativa. Logo, a carga elétrica da lã, com a qual a ebonite foi eletrizada por atrito, é positiva.

2. Você pode fazer uma experiência simples e interessante. Esfregue um canudo de refresco com lenço de papel ou papel higiênico (não esfregue muito forte para não deformar o canudo, nem muito fraco para que haja um bom contato entre os corpos). Depois, coloque-o junto à parede. Você vai notar que o canudo gruda na parede (veja a foto). Explique o que acontece.

2 unidade 1 – eletrostÁtica

2a etapa: quando a esfera do pêndulo toca o bastão, ocorre a eletrização por contato — parte dos elétrons do bastão se transfere para a esfera, que se torna também eletricamente negativa (figura b).

contato Figura b

3a etapa: uma vez eletrizada negativamente, a esfera do pêndulo passa a ser repelida pelo bastão (figura c).

Figura c repulsão

Observações

1a) A expressão “prevalece a atração” na solução da 1a etapa é importante para que fique claro que a repulsão também existe. O que ocorre nesse caso é um desequilíbrio nas interações elétricas entre o bastão e os dois lados da esfera do pêndulo por causa da diferença de distância entre eles.

2a) O objetivo deste exercício é reforçar a ideia de que não basta que em um corpo haja o mesmo número de elétrons e prótons para que ele seja neutro, é preciso também que eles se distribuam simetricamente no corpo, tanto no nível microscópico como no macroscópico.

3. A figura representa uma experiência feita com um bastão carregado negativamente e um pêndulo eletrostático cuja esfera é condutora e está eletricamente neutra.

toque atração repulsão

Quando se aproxima o bastão carregado do pêndulo, observa-se que a esfera é inicialmente atraída (figura a), toca então o bastão (figura b) e logo em seguida passa a ser repelida (figura c). Explique o que acontece em cada uma dessas etapas.

res olução

1a etapa: a presença do bastão carregado ne- gativamente próximo da esfera do pêndulo repele os elétrons nela presentes, que, ao se afastarem dele, deixam a parte da esfera mais próxima do bastão eletricamente positiva. A esfera torna-se eletricamente polarizada. Em consequência da maior proximidade entre o lado eletricamente positivo da esfera e o bastão eletricamente negativo, prevalece a atração entre a esfera e o bastão (figura a).

atração Figura a

capítulo 1 – introdução à eletricidade 23 b) Quando o bastão toca o eletroscópio, ocorre a eletrização por contato — o eletroscópio perde elétrons para o bastão, tornando-se também eletricamente positivo. Por isso a lâmina mantém-se defletida. Veja as figuras:

5. Um eletroscópio está eletricamente carregado, portanto a lâmina está levantada. Se você tocar a esfera desse eletroscópio com o dedo, com objetos metálicos ou, ainda, com papel, madeira, etc., a lâmina abaixará. Com materiais plásticos, por exemplo, isso não acontece. Veja as figuras e responda: Como você justifica essas observações?

O dedo encostado ao eletroscópio faz a lâmina abaixar. A régua de plástico não faz a lâmina abaixar.

4. As figuras representam uma experiência que utiliza um bastão carregado positivamente e um eletroscópio.

a) Quando se aproxima o bastão carregado do eletroscópio, observa-se que a lâmina sofre uma deflexão; quando se afasta o bastão, a lâmina volta à posição inicial.

bastão carregado lâmina b) Quando o bastão carregado aproxima-se da esfera do eletroscópio e a toca, observa-se que a lâmina sofre uma deflexão, que permanece mesmo quando se afasta o bastão.

Explique o que ocorre nos itens a e b.

res olução a) A presença do bastão positivamente carregado próximo ao eletroscópio atrai elétrons para a esfera do eletroscópio. A parte superior fica predominantemente negativa e a inferior, onde estão a haste e a lâmina, fica predominantemente positiva — o eletroscópio fica eletricamente polarizado. Por isso a lâmina é repelida pela haste e sofre deflexão. Quando se afasta o bastão, os elétrons se redistribuem e o eletroscópio volta à situação inicial. Veja as figuras:

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5. A lei de Coulomb 2 a medida da carga elétrica

Por volta de 1775, algumas evidências experimentais convenceram o físico-químico inglês Joseph Priestley (1733-1804) de que a interação elétrica deveria ser descrita por uma lei semelhante à da interação gravitacional — a atração ou repulsão entre cargas elétricas deveria ser também diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas, grandeza equivalente à massa na interação gravitacional, e inversamente proporcional à distância.

Veja a figura abaixo. Ela ilustra um experimento realizado por Benjamin Franklin, por volta de 1875. Ele observou que uma bolinha de cortiça, neutra, pendurada por um fio de seda, colocada próxima a um vaso metálico vazio, eletricamente carregado, era atraída apenas externamente (a); quando colocada dentro do vaso, não sofria nenhuma atração (b). Teoricamente, o mesmo efeito ocorreria com um planeta oco, que só exerceria atração gravitacional sobre corpos externos a ele.

Figura aFigura b

Esse resultado experimental veio ao encontro da previsão teórica de Priestley, que, dez anos depois, foi comprovada experimentalmente pelo físico francês Charles de Coulomb, num resultado que ficou conhecido como lei de Coulomb:

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