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Unidade 01: Eletrostática
Eletrostática é a área da Física que estuda as cargas elétricas em repouso. Essa definição parece relativamente fácil, mas o que é mesmo carga elétrica? Isso e muito mais é o que iremos discutir agora.
Aula 01 - Conceitos iniciais
Iremos abordar alguns conceitos básicos de eletrostática. Apesar de ser algo fascinante, não iremos discutir a parte histórica da eletricidade, mas disponibilizamos para vocês 3 vídeos produzidos pela BBC que contam de maneira muito interessante a origem dos estudos com a eletricidade.
Fiquem à vontade para assistir. Vale a pena.
Então, vamos começar pela parte fundamental nesse estudo, a carga elétrica.
1. Carga elétrica
Todos os corpos (pelo menos os que conhecemos) são formados por estruturas bem pequenas, chamadas de átomos. Os átomos, por sua vez, são constituídos por estruturas ainda menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons.
Por incrível que posso parecer, prótons e nêutrons são constituídos por partículas ainda menores, chamadas de quarks, mas ficaremos até esse ponto. Nesse primeiro momento, não há necessidade de ir tão fundo na estrutura da matéria, prótons, nêutrons e elétrons são suficientes para nós.
Basicamente, um átomo possui duas regiões: uma muito pequena e densa, chamada núcleo, onde estão localizados os prótons e nêutrons. E outra região que circunda o núcleo, chamada de eletrosfera, local onde estão os elétrons.
Para nosso estudo, vamos utilizar o modelo atômico de Rutherford, também chamado de modelo planetário. O desenho abaixo ilustra esse modelo. Existem outros bem mais complexos, mas para nosso estudo inicial ele cumpre seu objetivo.
Na representação acima, podemos observar o núcleo e a eletrosfera. O modelo é chamado de planetário, pois o núcleo cumpre o papel que seria do Sol, enquanto os elétrons seriam os planetas.
Devemos ressaltar algumas coisas muito importantes: o desenho acima é a representação de um modelo, isso não significa que o átomo seja realmente assim. No entanto, com esse modelo somos capazes de entender diversas características importantes relacionadas aos átomos.
Experimentalmente, observou-se que partículas como os prótons e elétrons possuíam uma propriedade interessante, a qual chamamos de carga elétrica. Até hoje não sabemos exatamente o que é isso.
Assim como a massa, a carga elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria, ou seja, é uma propriedade própria da matéria. Observou-se, no entanto, que prótons possuíam um tipo de carga e elétrons, outro tipo.
Historicamente, convencionou-se chamar de carga positiva a carga referente aos prótons. E carga negativa, a relacionada aos elétrons. Já os nêutrons não tem carga.
CURIOSIDADES:
O átomo é basicamente formado por espaço vazio. Apesar de parecer que o núcleo e a
eletrosfera são próximos, isso não é verdade. Se o núcleo fosse do tamanho de um
alfinete colocado no centro de um campo de futebol, o início da eletrosfera ocuparia a
porção externa das arquibancadas de um estádio do tamanho do Maracanã. Quer outra
comparação. Imagine o átomo de Hidrogênio, o mais simples de todos, pois possui só
um próton no núcleo e um elétron na eletrosfera. Se o núcleo fosse do tamanho de uma
bola de tênis, o elétron estaria orbitando a 3km de distância.
Os prótons e nêutrons são muito mais pesados que um elétron. Se um elétron tivesse uma massa de 1kg, o próton teria uma massa de 2 toneladas (2.000 kg).
Apesar de possuir cargas elétricas positivas e negativas, o átomo como um todo é neutro, pois naturalmente há a mesma quantidade de prótons e elétrons.
Quando um átomo perde elétrons, ele fica carregado positivamente,
pois estará com mais prótons.
Quando um átomo ganha elétrons, ele fica carregado negativamente,
pois estará com elétrons em excesso.
Chamamos o átomo carregado eletricamente de íon. Quando ele é
um íon positivo, recebe o nome de cátion.
Quando ele é um íon negativo, ele é chamado de ânion.
2. Propriedades das cargas elétricas
A carga elétrica é quantizada. Isso quer dizer que, existe um valor mínimo a partir do qual todos os outros são múltiplos. Por exemplo, imagine a carga elétrica como 1 centavo da moeda real. Para formarmos 1 real, devemos juntar 100 centavos, e não há nada menor que 1 centavo. Isso é quantização.
Podemos formar qualquer valor juntando quantidades diferentes de centavos, porém, não há nada menor que o próprio centavo. Assim é a carga elétrica. Experimentalmente, seu valor é igual a .
Dessa forma, a carga do próton é igual a +
Já a carga do elétron, é igual a -
A propósito, a unidade e carga elétrica é o Coulomb [C].
Se quisermos calcular a quantidade de carga elétrica de um corpo que está carregado (positiva ou negativamente), devemos ter como base a carga elétrica elementar. Desse modo, utilizamos a expressão:
Q = n.e
Onde:
Q = quantidade de carga
n = número de elétrons (ou falta de elétrons)
e = carga elétrica elementar.
Esse valor de Q pode ser negativo ou positivo, pois o corpo pode ter tanto excesso (carregado negativamente) como falta de elétrons (carregado positivamente).
Por exemplo:
1) Um corpo tem uma carga igual a - . Há excesso ou falta de elétrons? Quantos?
Sabendo que Q = - e que a carga elementar é e = , basta utilizarmos a expressão
Q = n.e
para obtermos o número n, que é a quantidade de elétrons pedida. Teremos n = 2 elétrons.
Para sabermos se há excesso ou falta de elétrons, basta ver o sinal da quantidade de carga Q. Se for negativa, quer dizer que há mais elétrons. Se for positiva, há falta de elétrons. Logo, temos que, para esse exemplo, há um excesso de elétrons.
Outros prefixos comumente usados em eletrostática são:
Logo, poderemos ter pC = C, nC = C ,ou μC = C.
2.1 Repulsão e atração
Outra propriedade observada experimentalmente, foi que cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.
3. Processos de eletrização
De um modo geral, os corpos são eletricamente neutros. Isso quer dizer que não possuem nem excesso, nem falta de elétrons. Porém, há diversas maneiras de eletrizar um corpo.
3.1 Eletrização por atrito
Você já deve ter sentido isso na pele, literalmente. Ao caminhar de meia sobre um tapete e depois colocar a mão em uma maçaneta de metal, certamente você levou um pequeno choque. Mas porque isso aconteceu? Ao caminhar sobre o tapete, você deve ter raspado seu pé, ou melhor dizendo, atritado seu pé no tapete. Isso fez com que tanto o tapete, quanto você ficassem carregados eletricamente, um de maneira positiva, outro de maneira negativa. Ao colocar a mão na maçaneta metálica, você apenas descarregou o excesso de cargas que havia acumulado, levando assim, um pequeno "choquito".
Outro exemplo: no inverno, ao dormir, quando você tira seu agasalho de lã, muitas vezes escuta uns estalinhos e, dependendo do dia, se o quarto estiver escuro, até mesmo vê pequenas luzes azuis. Isso acontece porque você, ao tirar seu agasalho, certamente raspou ele na blusa de baixo e depois nos seus cabelos, eletrizando ele. Às vezes, essa quantidade de cargas que acumulou é o suficiente para gerar pequenas descargas elétricas.
Como funciona o processo? Duas substâncias de naturezas diferentes, quando atritadas, eletrizam-se com igual quantidade de cargas em valor absoluto mas com sinais contrários. Se atritarmos vidro com lã, elétrons migrarão do vidro para lã, portanto o vidro ficará eletrizado positivamente e a lã, negativamente.
Abaixo, trazemos uma tabela, onde constam uma relação de materiais e como eles ficam carregados ao serem atritados com outros materiais. Essa classificação recebe o nome de série triboelétrica.
3.2 Eletrização por contato
Quando um corpo neutro entra em contato com outro corpo carregado eletricamente, ele pode ficar carregado também. Caso isso ocorra com condutores (veremos mais tarde o que é isso), a carga se distribuirá por todo o corpo. Caso ocorra com materiais isolantes, a carga ficará na região onde ocorreu o contato.
Uma coisa deve ficar clara: após o contato, ambos ficarão carregados com cargas de mesmo sinal. Isso quer dizer que, se o corpo eletrizado inicialmente estava com carga positiva (falta de elétrons), após o contato, o corpo neutro ficará carregado positivamente também, pois cederá parte de seus elétrons para aquele que estava carregado no momento do contato.
Se inicialmente, o corpo eletrizado tivesse carga negativa, após o contato, ambos teriam carga negativa, pois o corpo com elétrons em excesso transferiria parte de seus elétrons para o corpo neutro.
3.3 Eletrização por indução
Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que exista contato, o corpo neutro tem parte das cargas elétricas separadas (indução eletrostática), podendo ser eletrizado.
Esse tipo de eletrização funciona em condutores. Em isolantes, poderá até haver separação de cargas, mas ela será tem pequena que não surgirá um efeito considerável.
Vamos dar um exemplo (com um material condutor): digamos que você aproxime um corpo carregado negativamente de um outro corpo neutro. O que acontece é que, os elétrons do corpo neutro serão repelidos e tentaram se afastar ao máximo do corpo carregado. Ao afastar o corpo carregado, as cargas voltarão ao estado inicial.
Mas digamos que, após induzir a separação, você coloque um fio terra no material condutor, ou até mesmo, encoste seu dedo (você fará o papel de fio terra). Esses elétrons migraram através de você até o chão, deixando um deficit de cargas negativas no corpo induzido.
Ao final do processo, os corpos terão a mesma quantidade de cargas, mas com sinais opostos.
Caso o corpo eletrizado inicialmente tivesse cargas positivas (falta de elétrons), os elétrons do corpo neutro seriam atraídos em direção ao corpo carregado.
Para deixar o corpo neutro carregado negativamente, deveria fazer o mesmo processo dito acima, você poderia colocar um fio terra ou simplesmente colocar o seu dedo no corpo neutro, e com isso, elétrons migrariam de você (ou da Terra) para ele. Após retirar o fio terra, você afastaria o corpo indutor e o corpo induzido ficaria carregado também.
