Carga elétrica e eletricidade

Você já percebeu que quando o ar está mais seco o cabelo fica eriçado ao ser penteado? Alguma vez você sentiu um choque ao encostar-se em algum objeto metálico, como um automóvel?

* Atrás de todos esses fenômenos estão as cargas elétricas e as forças produzidas por elas.

DESCOBERTA DO ELÉTRON

Por volta de 624 a. C- 556 a.C Tales de Mileto notou que ao atritar um pedaço de âmbar no pelo de um animal, o âmbar atraia outros objetos, como penas e pedacinhos de palha. Como a palavra grega correspondente a âmbar é élektron dizemos que esses corpos, quando atritados "estão eletrizados" e dela derivam as palavras elétron e eletricidade. 

No entanto, as mesmas propriedades do âmbar só foram estudadas com mais detalhes no século XVI por William Gilbert que observou o mesmo efeito em diversos outros materiais, como vidro, enxofre, seda, lã entre outros. Em 1672, o alemão Otto von Guericke construiu o primeiro gerados de cargas elétricas. O dispositivo consistia em uma esfera de enxofre que, ao ser girada por uma manivela e esfregada com a mão ou com um pedaço de couro seco, produzia grande quantidade de eletricidade estática, capaz de atrair pequenos objetos, como pedaços de palha, papel e penas.

Em 1729 Stephen Gray descobriu que a eletricidade pode fluir de um corpo para outro, Gray observou que alguns materiais permitiam a condução da eletricidade, e outros não. Nessa época Fay realizou um experimento em que atraia uma fina folha de ouro com um bastão de vidro atritado. Porém, ao encostar o bastão na folha, esta era repelida. Na época acreditava-se que a eletricidade fosse um fluído, que passava de um corpo a outro. Haveria dois tipos de fluídos: eletricidade vítrea ou positiva e a eletricidade resinosa ou negativa. 

A ideia dos dois fluídos permaneceu até  1750 quando Benjamin Franklin estabeleceu que os dois tipos de eletricidade existiam em um único fluido em qualquer corpo. Parte do que ele descobriu veio de sua famosa e perigosa experiência com uma pipa empinada em um dia de tempestade. Franklin propôs uma teoria que considerava a carga elétrica um único fluido elétrico que podia ser transferido de um corpo para o outro: o corpo que perdia esse fluído ficava com falta de carga elétrica e o que recebia com excesso de carga elétrica. Hoje sabemos que um corpo com excesso de elétrons está eletrizado negativamente e um corpo com falta de elétrons encontra-se eletrizado positivamente.
A eletricidade começou a se desenvolver rapidamente com as descobertas de Alessandro Volta, os trabalhos de John Dalton, Hans Christian Orested, André Marie Ampère, Michael Faraday, Georg Simon Ohm  e Gustav Kirchhoff. 

Algumas experiências e trabalhos realizados no final do século XIX foram fundamentais para modificar a visão que se tinha dos fenômenos elétricos. Entre eles se destacam a descoberta do elétron como constituinte da matéria, feita por Joseph John Thomson, a comprovação experimental da existência do átomos e moléculas de Jean Baptiste Perin e o modelo planetário de Ernest Rutherford, assim, os fenômenos elétricos ganharam consistência maior com o modelo baseado na estrutura atômica da matéria.

CARGA ELÉTRICA

Sabemos hoje que a matéria é formada de átomos que são inúmeras partículas menores que chamamos de próton, nêutron e o elétron. Os prótons e nêutrons estão arranjados na pequeníssima região central que constitui o núcleo do átomo. Os elétrons, por sua vez, deslocam-se rapidamente em torno do núcleo do átomo, distribuídos em diversos níveis de energia localizados numa região denominada eletrosfera.

Experiências revelaram que os prótons e os elétrons são partículas eletrizadas que apresentam comportamentos opostos, mas com igual intensidade. Os nêutrons por sua vez são partículas eletricamente neutras. Entretanto, em valor absoluto, as cargas elétricas do próton e do elétron são iguais. Esse valor absoluto é denominado carga elétrica elementar e é simbolizada por "e". Recebe o nome de elementar porque é a menor quantidade de carga que podemos encontrar isolada na natureza. Convencionou-se estabelecer que a carga elétrica associada ao próton é positiva, enquanto a carga elétrica associada ao elétron é negativa. É o equilíbrio entre o número total de prótons no núcleo e o número total de elétrons na eletrosfera que torna o átomo eletricamente neutro. Quando esse equilíbrio é rompido, caso em que o átomo perde ou ganha elétrons ele se transforma em íons.

Átomo

Na+ íonspositivo (perde elétrons) e Cl- íon negativo (ganha elétrons)

Em 1897 o Físico inglês J.J Thomson descobriu o elétron e determinou experimentalmente o quociente entre a massa m e o valor absoluto da carga representada por e. 

m = 5,70. 10-¹² kg/C                                                                                                                                  

 e

Entre 1906 e 1913 o físico Robert Andrews Millikan conseguiu estabelecer experimentalmente que a carga do elétron é a menor carga elétrica e portanto indivisível seu valor é:

Para calcular a quantidade de carga elétrica Q em excesso ou em falta é dado a seguinte equação:

Com base nos resultados de J.J Thomson e Millikan foi possível determinar a massa dessa partícula:

m = 9,1314.10-³¹ Kg

1) Assista o documentário sobre a descoberta da eletricidade e dê sua opinião sobre o uso de animais e seres humanos nas descobertas científicas e o papel da igreja naquele tempo e nos dias atuais. Discuta também a rivalidade entre os cientistas existentes naquela época. 

Princípio da atração e repulsão

Imagine a seguinte experiência: duas barras de vidro suspensas por um fio de náilon, próximas entre si, são atritadas com um pano de seda. As barras se eletrizam positivamente e ao serem abandonadas elas se repelem. Agora imaginamos que duas barras de celuloide sejam atritadas com lã. Nesse caso, as barras são eletrizadas negativamente e ao serem abandonadas se repelem. Entretanto, se aproximarmos as barras de vidro e a de celuloide depois de atritadas elas se atraem. Assim, podemos enunciar a primeira lei fundamental da eletrostática:

Princípio da atração e repulsão: Cargas elétricas da mesma espécie (mesmo sinal) se repelem e cargas elétricas de espécies diferentes (sinais contrários) se atraem. 

Princípio da conservação das cargas elétricas: a soma algébrica das cargas elétricas existentes em um sistema eletricamente isolado é constante. 

Portanto, se em um sistema eletricamente isolado houver corpos com pelo menos um deles eletrizado, poderão ocorrer trocas de cargas elétricas entre eles, mas a soma algébrica dessas cargas será a mesma antes, durante e depois das trocas. 

Condutores e isolantes 

Em alguns corpos, podemos encontrar portadores de cargas elétricas com grande liberdade de movimentação. Esses corpos são denominados condutores elétricos. Nos demais, essa liberdade de movimentação praticamente não existe; esses corpos são denominados isolantes elétricos ou dielétricos. Tanto um condutor como um isolante podem ser eletrizados. É importante observar, porém que, no isolante, a carga elétrica em excesso permanece exclusivamente no local onde se deu o processo de eletrização, enquanto no condutor essa carga busca uma situação de equilíbrio, distribuindo-se em sua superfície externa.
Os metais, a grafita, os gases ionizados e as soluções eletrolíticas são exemplos de condutores elétricos. O ar, o vidro, a borracha, a porcelana, os plásticos, o algodão, a seda, a lã, as resinas, a água pura e o enxofre são exemplos de isolantes elétricos. 

Há um grupo de materiais especiais que se classificam entre os condutores e os isolantes: São chamados de semicondutores. Desses, os principais são o germânio e o silício que podem ser transformados em um excelente condutores elétricos quando se adiciona uma pequena porcentagem de átomos de outros elementos como o boro e o arsênio. As vantagens dos semicondutores é seu pequeno tamanho, o que permite a fabricação de transistores, leds e chips. 

Eletrização por atrito ou triboeletrização

1.  dois corpos de materiais diferentes atritados entre si;
2. transferência de elétrons de um corpo para o outro;
3. Final da eletrização os corpos adquirem cargas elétricas de mesmo valor absoluto, porém de sinal contrário;
4. Não há criação de cargas, apenas a transferência de uma para outro;
5. Perde elétrons o material cujos núcleos atômicos exercem menor força sobre os elétrons periféricos.

Série triboelétrica

Eletrização por contato

1. Um corpo eletrizado (positivo ou negativo) e um corpo neutro;
2. Final do contato os corpos ficam com o mesmo sinal;
3. QA + QB = Q'A + Q'B

Q1 + Q2

2

Contato entre um condutor eletrizado e a Terra

A carga elétrica em excesso num condutor pode ser escoada para a Terra tanto através do ar úmido, que é condutor, como pela conexão direta com o solo terrestre, realizada por algo capaz de conduzir cargas elétricas, como o corpo humano ou um fio metálico.
Quando se faz o contato entre um corpo eletrizado e o solo, tanto um como outro ficam eletrizados. Lembre que a redistribuição das cargas é proporcional às dimensões dos corpos envolvidos. Como as dimensões do corpo são desprezíveis em comparação com a dimensão da Terra, a carga elétrica que nele permanece é praticamente nula. Assim, ao ligarmos um condutor eletrizado à Terra, dizemos que ele se descarrega ou que fica eletricamente neutro.

Eletrização por Indução

1. Corpo neutro e um eletrizado
2. separação das cargas do corpo neutro pelo corpo eletrizado;

Pense agora no que acontece se ligarmos o induzido ao solo enquanto o indutor estiver próximo. Os elétrons livres do Induzido escoam para a Terra. Desfazendo o contato com a Terra e, em seguida, afastando o indutor, o induzido ficará eletrizado positivamente. Assim, o induzido quando ligado a um fio terra, se eletriza sempre com carga de sinal contrário à do indutor.

Outro exemplo é a eletrização por indução de dois corpos condutores que estão em contato mútuo e inicialmente neutros. Suponhamos que aproximemos da esfera A um corpo eletrizado com cargas positivas. Nessa situação, os elétrons lives tanto de A como de B serão atraídos pelo corpo eletrizado e ficarão acumulados na região A voltada para o corpo, enquanto na região aposta B haverá falta de elétrons. Eliminando o contato entre A e B e afastando o corpo eletrizado, as duas esferas ficarão eletrizadas com cargas de sinais contrários.

Eletroscópio

É um dispositivo que pode determinar se o objeto está ou não eletrizado. Os eletroscópios mais comuns são o pêndulo eletrostático e o eletroscópio de folhas ou de lâminas. 

DICA: Como construir um eletroscópio.

SIMULAÇÃO ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

SIMULAÇÃO JOHN TRAVOLTAGEM







EXEMPLO DE RELATÓRIO

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL

BALANÇA DE COULOMB

                                                                         

                                                                                                                         Daiane                                                                             

                                                                                                          

LAGES

2018

Lei de Coulomb

1-Introdução

Charles Augustin Coulomb desenvolveu uma teoria que chamamos hoje de Lei de Coulomb. A Lei de Coulomb trata da força de interação entre as partículas eletrizadas, as partículas de mesmo sinal se repelem e as de sinais opostos se atraem.

O físico Charles Coulomb utilizou para estudar estas forças, um equipamento que ele mesmo desenvolveu. A balança de torção. Este equipamento consiste em um mecanismo que calcula a intensidade do torque sofrido por uma partícula que sofre repulsão.

Esta lei, formulada por Charles Augustin Coulomb, refere-se às forças de interação (atração e repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes, ou seja, com dimensão e massa desprezível.

Lembrando que, pelo princípio de atração e repulsão, cargas com sinais opostos são atraídas e com sinais iguais são repelidas, mas estas forças de interação têm intensidade igual, independente do sentido para onde o vetor que as descreve aponta.
O que a Lei de Coulomb enuncia é que a “intensidade da força elétrica de interação entre cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos módulos de cada carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa”. 

2.Objetivo

O objetivo da experiência a ser realizada com este instrumento é a verificação da lei de Coulomb. Procuraremos determinar o ângulo de torção conforme a distância entre as cargas.

3.Material necessário:

Balança de Coulomb

4. PROCEDIMENTOS

4.1- - I-Calibrar a balança.

II- Determinar a distância que será usada entre as esferas.

III- As esferas devem estar descarregadas para isso utiliza-se, um fio terra para descarrega-las. Em seguida com um fio eletrizado tocamos as esferas carregando-as eletricamente com cargas de sinal negativo, as esferas então vão se repelir uma vez, que a carga de ambas é do mesmo sinal.

IV- Quando as esferas se repelem, achar o ângulo de torção , o ângulo de torção do fio, corresponde à nova posição de equilíbrio que será menor tanto quanto a distância for aumentada.

V- Repetir o experimento com dez distâncias diferentes, sendo necessárias três medidas, cada experimento.

VI-Para que a experiência seja bem sucedida, será conveniente a secagem do  local, para isso utilize uma estufa que retirará a umidade do ambiente.

VII- Fazer a média entre os três valores encontrados.

VIII- Tabelar valores

θ (º)	d (cm)	F (N)	Q ( C )
0	0	4,5E-06	0
184	0,03	0,000271	5,20609E-09
153	0,05	0,000226	7,92548E-09
110	0,07	0,000164	9,44465E-09
78	0,09	0,000117	1,02828E-08
48	0,11	7,4E-05	9,97629E-09
42	0,13	6,53E-05	1,10764E-08
30	0,15	4,8E-05	1,09492E-08
23	0,17	3,78E-05	1,10192E-08
20	0,19	3,35E-05	1,15863E-08
16	0,21	2,77E-05	1,16448E-08
10	0,23	1,9E-05	1,05628E-08

Erro experimental:

·       Erro na determinação do ângulo;

·       Erro de cálculos e fórmulas;

Considerações finais:           

Podemos tirar algumas conclusões sobre a Lei de Coulomb observando os gráficos acima, que relaciona o valor da força elétrica de interação entre partículas eletrizadas com suas cargas elétricas e com a distância que as separa. A relação entre a força e distância é uma relação inversamente proporcional, quando aumentamos a distância entre as partículas a força elétrica diminui da mesma forma que diminui o ângulo . Em contrapartida conforme aumenta- se a distância aumenta também a carga, pois essas duas grandezas são diretamente proporcionais.

Bibliografia:

Young, Hugh D; Freedman, Roger A. Física I: 12ª ed. São Paulo: Addison Wesley, 2008.

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/leidecoulomb.php

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/fisica/lei-de-coulomb.php

LEI DE COULOMB

Com o eletroscópio vimos que é possível determinar o tipo de carga de um corpo. Mas esse instrumento não permite saber o valor da carga, apenas comparar diferentes tipos de carga. Algumas experiências realizadas a partir de 1776 sugeriram que a interação (atração e repulsão) entre cargas elétricas provavelmente obedeceria a uma relação semelhante à atração entre massas descritas em 1665 por Isaac Newton na lei de Gravitação Universal. A comparação dessas observações foi realizada com medidas precisas a partir de 1783, por Charles Augustin de Coulomb. 

Em seu experimento Coulomb utilizou duas esferas eletrizadas Q1 e Q2 separadas pela distância d, a fim de determinar a força elétrica de atração ou repulsão entre elas. Ele chegou às seguintes constatações com relação às forças elétricas de atração e repulsão entre partículas eletrizadas. 

1) Têm a direção da reta que passa pelas partículas. Observe que F12 representa a força que a partícula 1 exerce em 2  e F21 a força que 2 exerce em 1.

2) Constituem um par de ação e reação. Isso significa que F12 e F21 não se equilibram mutuamente, e ambas têm a mesma intensidade. 

3) A força tem intensidade diretamente proporciona ao quadrado da distância entre as partículas

4) A força tem intensidade diretamente proporcional ao valor absoluto de cada um das cargas e, portanto, diretamente proporcional ao valor absoluto do produto das cargas.

É importante notar que a constante k depende do meio onde as cargas Q1 e Q2 estão situadas e do sistema de unidade adotado. Se a carga estiver no vácuo, a constante é representada por K0 e é denominada constante eletrostática. Seu valor é: 

Se Q1. Q2 >0 cargas de mesmo sinal, então, as forças são de repulsão

Se Q1.Q2<0 cargas de sinais contrário, então, as forças são de atração

Exemplos de manifestações da eletricidade estática.

Ex 1: O atrito da superfície externa de um avião com o ar produz a eletrização dessa superfície. Para o escoamento das cargas elétricas acumuladas em um voo existem, nas asas, pequenos fios metálicos. Durante o abastecimento os aviões são conectados à terra para que possíveis cargas elétricas existentes na superfície externa sejam escoadas, evitando pequenas descargas elétricas que poderiam explodir o combustível que que está sendo introduzido nos tanques. A conexão com a terra pode ser feita por meio da escada ou do túnel por onde transitam os passageiros. 

Ex 2: Os caminhões que transportam combustíveis também se eletrizam por causa do atrito com o ar. Assim, antes de iniciar o descarregamento, o terminal da mangueira é encaixado na boca do tanque, onde existe um aterramento, isto é, uma conexão condutora com a terra. Um cabo metálico faz a ligação entre o tanque do caminhão e o terminal da mangueira para descarregamento de possíveis cargas elétricas existentes no caminhão. Só após essa operação o abastecimento é efetuado.

SIMULAÇÃO DA LEI DE COULOMB