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TÓPICO 01: CARGA ELÉTRICA
Veja as notícias publicadas nos Jornais O Povo, edição de 15/03/07 e TV
Canal 13, edição de 27/03/2008, sobre carga elétrica. Clique nos jornais
abaixo para ver as notícias:
VERSÃO TEXTUAL
JORNAL 1 – ACIDENTE DE TRABALHO MATA TRÊS PESSOAS EM CAUCAIA
Três trabalhadores morreram e três ficaram feridos ontem, em
consequência de um choque elétrico.
O acidente aconteceu na empresa Ancar Veiculos Especiais, em
Caucaia, Região Metropolitana de Fortaleza, enquanto os homens
estavam afastando um andaime de ferro, para proceder a pintura de
uma parede da fábrica. O andaime estava próximo a um poste de alta
tensão, de 13.800 volts, que fica no interior do imóvel. Eles não
perceberam a proximidade com os fios e, com o contato, os operários
foram vitimados pela corrente elétrica. O acidente ocorreu por volta
das 9 horas.
As seis vítimas foram socorridas pelas equipes só SOS Caucaia e
levadas para o Hospital Municipal. O coordenador do SOS, Edemir
Saraiva, diz que os feridos tiveram o quadro estabilizado e dois deles
foram transferidos. Um dos proprietários da empresa, Ângelo
Nicolleti, foi encaminhado para um hospital particular. O funcionário
Marcelo Cassimiro de Freitas foi enviado para o Instituto Doutor José
Frota (IJF), enquanto Manoel Domingos de Oliveira permaneceu no
Hospital de Caucaia. Os três sofreram queimaduras nos pés e nas
mãos.
Os Corpos de Francisco Djacir Pereira, 29, Paulo Ricardo de Lima
Moreira, 31, e Antônio Anderson Silva de Ávila, 19, até as 16 horas de
ontem, ainda permaneciam no hospital.
JORNAL 2 – BRASIL: RAIO ATINGE PROFESSOR NO MARANHÃO
O professor maranhense José Ferreira de Araújo, pegava carona
na rodovia MA - 127, em São João do Sóter (MA) quando foi atingido
pela descarga. Dos 50 milhões de raios que caem no Brasil, 70% se
concentram no verão.
Ficar em campos abertos como jardins, praias ou mesmo na rua
durante tempestades é um grande risco para a população.
"As dicas são as de sempre: se abrigar em lugar fechado, evitando
principalmente contato com aparelhos elétricos e falar ao telefone com
fio", afirma Pinto Júnior. Em menos de três meses as mortes
provocadas por raios no Brasil chegaram bem perto do mesmo
número registrado durante todo o ano de 2007. Até esta terça-feira,
FÍSICA III
AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB
25, as descargas atmosféricas tinham causado 45 mortes no País
contra 46 no ano passado, segundo o Grupo de Eletricidade
Atmosférica.
Essas notícias e muitas outras desse tipo, que você lê ou ouve no seu dia
a dia, são diretamente relacionadas à eletricidade. Mas espere um pouco, não
pense que a eletricidade é uma fonte de tragédias. Na verdade, sem ela a vida
seria muito difícil.
Você já imaginou alguma vez em sua vida, como seria o mundo sem
eletricidade? Não é possível imaginar uma coisa dessas não é? A eletricidade
nos cerca por todos os lados. Seria muito difícil viver em um mundo sem
lâmpadas elétricas, geladeiras, ferro elétrico, televisor, computador, enfim,
sem todos esses confortos da vida moderna que dependem diretamente da
eletricidade para poder funcionar.
OLHANDO DE PERTO
A eletricidade está envolvida em fenômenos muito mais importantes
do que o funcionamento de equipamentos elétricos. A eletricidade está na
origem e no desenvolvimento da própria vida.
A eletricidade está envolvida profundamente no processo de
fecundação do ser humano, na atividade do coração e do cérebro.
A ELETRICIDADE NA ORIGEM, DESENVOLVIMENTO E MELHORIA DE NOSSAVIDA
NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO
NA ATIVIDADE CEREBRAL
NA ATIVIDADE CARDÍACA
NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO
NO PROGRESSO DA MEDICINA
NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO
No processo de fecundação apenas um espermatozoide penetra o oócito
e neste exato momento, uma contra ordem elétrica é produzida na
membrana que se fecha, impedindo a entrada de qualquer outro. A entrada
do espermatozoide no oócito provoca uma reação cujo efeito é alterar as
características elétricas da membrana plasmática provocando sua
despolarização. Esse processo é muito rápido e impede, temporariamente,
que novos espermatozoides fundam a sua membrana com a do oócito.
Portanto, a Eletricidade é um dos processos responsáveis pela fecundação.
Para saber mais sobre esse assunto veja:
Como funciona a reprodução humana [2] (Craig C. Freudenrich, Ph.D.)
NA ATIVIDADE CEREBRAL
Agora mesmo, enquanto você estuda esta aula, as células do seu cérebro
estão trabalhando para que você consiga desempenhar a sua tarefa. A
atividade cerebral ainda não é completamente entendida, mas certamente
ela envolve uma atividade elétrica. Seja qual for a nossa atividade: o bater do
nosso coração, o movimento de um músculo, um piscar de olhos, o ato de
respirar, sempre acarretará a presença de uma corrente elétrica através dos
neurônios. A tensão elétrica decorrente dessa corrente equivale a mais ou
menos 5% da tensão produzida por uma pilha AAA. A medida da atividade
cerebral é feita através do eletroencefalograma (EEG) que mede a
propagação do estímulo nervoso no cérebro através de eletrodos colocados
na cabeça do paciente.
NA ATIVIDADE CARDÍACA
Para que o coração funcione, bombeando o sangue arterial para todo o
organismo, é necessário que as suas células sejam inicialmente ativadas por
um estímulo elétrico que comanda o funcionamento do coração. A atividade
elétrica gerada no coração é captada por meio de eletrodos colocados em
determinadas posições padronizadas no nosso corpo, considerando que o
corpo humano é um bom condutor de eletricidade. Esta atividade elétrica é
mostrada no eletrocardiograma que, assim, pode ser definido como o
registro gráfico da atividade elétrica do coração.
NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO
Se, por algum motivo o ritmo normal do coração for perturbado, o
coração deve ser assistido através do uso de um marcapasso artificial. O
marcapasso é um sistema de estimulação elétrica que consiste em um
gerador de pulsos e um eletrodo. O gerador de pulsos elétricos é um circuito
eletrônico miniaturizado e em uma bateria compacta. O marcapasso está
apto a reconhecer ou perceber a atividade cardíaca. Quando o marcapasso
não capta nenhuma pulsação natural, libera um impulso elétrico. Como
resultado, o músculo cardíaco contrai-se. O marcapasso é ligado ao coração
através de um ou dois eletrodos. O eletrodo é um fio condutor muito fino,
eletricamente isolado, que é colocado diretamente no lado direito do
coração. É através destes fios que os impulsos elétricos são transportados até
o coração. Para saber mais sobre este assunto veja, por exemplo:
Marcapasso Cardíaco - vamos conhecê-lo [3]
NO PROGRESSO DA MEDICINA
Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero – Uma Pesquisa
desenvolvida por cientistas da Universidade de Arkansas, nos Estados
Unidos, resultou em um teste cuja finalidade é medir os sinais elétricos do
cérebro de um feto. Essa pesquisa pode, um dia, ajudar os médicos a
proteger os bebês de lesões ocorridas ainda no útero de suas mães.
Para saber mais sobre esse assunto veja:
Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero [4]
OLHANDO DE PERTO
Como você pode ver, este é um assunto importante demais e você,
como futuro professor de Física, precisa conhecê-lo a fundo para que em
um futuro próximo possa mostrar aos seus alunos que a Eletricidade não é
um choque.
Mas o que é eletricidade? De onde ela vem?
CARGA ELÉTRICA
A origem da eletricidade é muito antiga. Sete séculos antes do
nascimento de Cristo, na Grécia, o filósofo Tales de Mileto [5] observou um
fenômeno curioso. Ao esfregar um pedaço de âmbar em um pedaço de lã, ele
notou que o âmbar adquiria a capacidade de atrair objetos leves como
pequenos pedaços de palha e fragmentos de madeira. A origem dessa atração
está ligada a uma propriedade da matéria chamada CARGA ELÉTRICA.
ÂMBAR
Um tipo de resina vegetal fóssil, de uma espécie de pinheiro já
desaparecida há milhões de anos, tem uma cor amarela
semitransparente e, por combustão, exala um aroma muito agradável.
Com o passar do tempo, a resina perdeu água e ar, e as substâncias
orgânicas que a constituíam sofreram o que os químicos chamam de
polimerização: a resina endureceu e se transformou naquilo que
conhecemos como âmbar.
Hoje podemos dizer que o âmbar adquiria uma carga elétrica, isto é,
tornava-se carregado.
DICA
A palavra eletricidade vem da palavra grega elektron que quer
dizer "âmbar".
OLHANDO DE PERTO
A carga elétrica, assim como a massa é uma propriedade intrínseca da
matéria.
OS DOIS TIPOS DE CARGAS ELÉTRICAS
Você não precisa voltar no tempo à época de Tales de Mileto para
observar os fenômenos da eletricidade. Em sua casa mesmo você poderá
fazer esta experiência muito simples:
Você só vai precisar de um pente de plástico, uma flanela e um pedaço
de papel cortado em pedaços bem pequenos.
Então, vamos começar?
1 - Esfregue rapidamente, várias vezes o pente na flanela.
2 - Segure o pente com dois dedos, evite tocá-lo diretamente com a
mão. Encoste o pente no papel, levante-o com cuidado e observe: alguns
pedaços ficam grudados no pente!
3 - Você também pode levantar seu cabelo (seco), aproximando o
pente da cabeça.
Outra experiência fácil de ser feita, para a qual você só precisa de:
- Um tubo de vidro (um tubo de ensaio, por exemplo);
- Um pedaço de seda ou lã;
Como fazer: Esfrega-se vigorosamente o pedaço de seda no tubo de
vidro, tomando o cuidado de fazê-lo sempre na mesma região.
Em seguida, separamos os dois (vidro e seda) e notamos que há entre
eles uma força de atração, em decorrência das cargas de sinais contrários
no vidro e na seda.
Fonte [6]
Se você aproximar o bastão de vidro depois de esfregado com a seda,
daquele pente da experiência anterior, verá que os dois, pente e bastão se
atraem, mas entre o pente e o pedaço de seda haverá uma repulsão.
Essas experiências e muitas outras semelhantes a elas mostram que
existem dois tipos de interação: repulsão e atração, o que nos conduz à
suposição que existem dois tipos de carga: um tipo de carga acumulado no
pente e outro tipo acumulado no bastão de vidro.
Como você sabe, antigamente não existia o plástico. Os pentes eram
feitos de resina, por exemplo.
Aos dois tipos de carga, deu-se o nome de "vítrea" para as que
aparecem no vidro e de "resinosa" para as da resina. Foi Benjamin Franklin
[7] (1706-1790) quem escolheu chamar a carga que surgiu no vidro de
positiva e no pente de negativa. Essa denominação é usada até hoje.
Para compreender a existência de tipos diferentes de cargas vamos dar
uma olhada na estrutura do átomo.
A ESTRUTURA DO ÁTOMO
Os átomos são formados por três tipos diferentes de partículas: os
prótons e os nêutrons que constituem o núcleo e os elétrons que circundam
o núcleo.
Fonte [8]
Os prótons têm carga positiva (+ e), os elétrons carga negativa (– e) e
os nêutrons, como o nome indica, não têm carga elétrica.
Um átomo é eletricamente neutro, isto é as cargas positivas têm o
mesmo valor que as cargas negativas dos elétrons. Quando um elétron
abandona o átomo, vencendo a força de atração do núcleo, o átomo que
perdeu uma carga negativa, fica carregado positivamente.
Se o elétron livre ligar-se a outro átomo, esse átomo agora
adquire uma carga total negativa.
Tanto a falta como o excesso de elétrons, deixam o átomo com um
desequilíbrio de carga. Os átomos que apresentam desequilíbrio de carga
se chamam íons.
Dos estudos de Millikan [9] e Thomson [10] ficou estabelecido que o
módulo da carga negativa do elétron é exatamente igual ao módulo da carga
positiva do próton.
DICA
De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são
mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três
partículas ainda menores. Para saber um pouco sobre assunto, acesse:
quarks [11].
Quando um corpo é eletrizado há um desequilíbrio entre suas cargas
elétricas causado, em geral, pela perda ou ganho de elétrons.
A carga nunca é criada nem destruída.
Os elétrons têm maior mobilidade do que os prótons que estão presos no
núcleo, por isso é mais fácil transferir elétrons de um corpo para outro.
Você está se iniciando no estudo da Eletrostática.
ELETROSTÁTICA
A Eletrostática (do grego elektron + statikos que significa
estacionário) é o ramo da Física que estuda as propriedades e o
comportamento das cargas elétricas em repouso em relação a um
sistema inercial de referência. Generalizando, a Eletrostática estuda os
casos de equilíbrio dos corpos carregados.
Você já ouviu falar que os opostos se atraem? É exatamente isso que
acontece na natureza, (com relação à Eletricidade) a carga positiva (+) atrai a
carga negativa (–) e vice-versa.
PARADA OBRIGATÓRIA
Lei de Du Fay [12]:
Cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se
atraem.
OLHANDO DE PERTO
A unidade de carga no sistema SI é o Coulomb, em homenagem a
Charles Augustin de Coulomb [15].
PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO
Podemos eletrizar um corpo por três maneiras:
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO
Esse processo é conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e consiste
em se atrair corpos inicialmente neutros. Com o atrito ocorre a transferência
de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica
eletrizado positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se
negativamente. Você vai aprender, ainda nesta Aula 1, que a carga sempre se
conserva.
Lembra da experiência com o pente?
Na fricção do pente com a flanela, o atrito faz com que ele ganhe mais
carga negativa (-). Por conservação da carga a flanela fica carregada
positivamente.
No caso do bastão de vidro atritado com a seda ocorre uma transferência
de elétrons do bastão para a seda.
Fonte [16]
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO
O corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente
carregado.
Colocando-se em contato dois condutores, um neutro B e o outro
eletrizado A, o corpo neutro B se eletriza com carga de mesmo sinal que A.
Considere que A está eletrizado positivamente. Ao entrar em contato
com B, ele atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua eletrizado
positivamente, mas com carga menor e B, que estava neutro, fica eletrizado
positivamente.
Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm
Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de
mesmo sinal.
OBSERVAÇÃO
É importante não esquecer o princípio da conservação das cargas
elétricas: a quantidade de cargas elétricas antes do contato é igual
à quantidade de cargas elétricas depois do contato.
Se os dois corpos forem absolutamente idênticos, no final da experiência
eles ficarão com a mesma quantidade de carga elétrica, que será determinada
pela média aritmética da quantidade de cargas antes do contato.
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
Na eletrização por atrito e por contato, é necessário que haja contato
físico entre os corpos. Na eletrização por indução o contato não é necessário.
Deve haver um condutor carregado que será o indutor e os condutores
neutros serão os induzidos.
Considere três condutores, um carregado eletricamente e outros dois
neutros e encostados um no outro.
Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm
Aproxime o condutor carregado dos condutores neutros.
Durante a aproximação, ocorre uma separação de cargas nos condutores
neutros. Como o indutor é positivo, o corpo (induzido) que está mais
próximo do indutor ficará negativo e o outro corpo (induzido) que está mais
afastado ficará positivo.
Agora com o indutor ainda próximo, separe os dois condutores que
estão juntos. Finalmente retira-se o indutor das proximidades dos outros
dois corpos. Você terá como resultado os dois condutores que inicialmente
estavam neutros, agora carregados com cargas de sinais opostos.
Note que não houve, em nenhum momento, o contato entre o condutor
carregado (indutor) e os condutores inicialmente neutros (induzidos). Por
isso esse processo é chamado de indução.
O condutor que provoca a indução, é denominado indutor e o
condutor que sofre indução, é denominado induzido.
Em um processo de indução envolvendo apenas dois
condutores (um indutor e um induzido) o induzido sempre se
eletriza com carga de sinal contrário ao da carga do indutor.
DESAFIO
No processo de indução que você viu acima, como ficariam as cargas
dos induzidos se eles tivessem, cada um, o dobro do tamanho do indutor?
Os aparelhos que servem para verificar se um corpo está eletrizado são
chamados de eletroscópios.
Os eletroscópios podem ser de vários tipos:
PÊNDULO ELÉTRICO
Imagem adaptada [18]
Como o próprio nome indica esse instrumento é um pêndulo, feito de
uma esfera sem carga (neutra), um fio de seda (isolante) e uma haste.
Ele funciona da seguinte maneira:
Se aproximarmos um corpo da esfera e ela for atraída por ele, então
esse corpo estará carregado. Se nada acontecer, então este corpo estará
neutro, isto é, descarregado.
Fonte
As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma
experiência eletrostática usando um eletroscópio de pêndulo.
Fonte [19]
Tente explicar o que está acontecendo em cada uma das situações
mostradas acima
ELETROSCÓPIO DE FOLHAS
Esse é o tipo de eletroscópio mais usado. Ele é formado por uma haste
metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica, e na parte
inferior a duas folhas metálicas bem finas. As duas folhas são mantidas no
interior de um recipiente que pode ser uma garrafa de vidro.
Se você quer saber se um corpo está eletrizado, deve aproximar o
corpo da esfera. A esfera, a haste e as duas lâminas eletrizam-se com cargas
de mesmo sinal que a do corpo. As duas folhas repelem-se, já que têm
cargas de sinais iguais.
Fonte [20]
DESAFIO 2
Por que você não tenta construir o seu próprio eletroscópio?
DESAFIO 3
Tente mais este desafio:
Sendo dadas duas esferas de metal montadas em suporte portátil de
material isolante, invente um modo de carregá-las com quantidades de
cargas iguais e de sinais opostos. Você pode usar uma barra de vidro
atritada com seda, mas ela não pode tocar as esferas. É necessário que as
esferas sejam do mesmo tamanho, para o método funcionar?
DESAFIO 4
Com o que você aprendeu neste tópico, tente resolver mais este
desafio!
Três esferas metálicas iguais, A, B e C, estão apoiadas em suportes
isolantes, tendo a esfera A carga elétrica negativa. Próximas a ela, as
esferas B e C estão em contato entre si, sendo que C está ligada à Terra por
um fio condutor, como na figura. A partir dessa configuração, o fio é
retirado e, em seguida a esfera A é levada para muito longe. Finalmente, as
esferas B e C são afastadas uma da outra. Qual é o item abaixo que
corresponde às cargas das esferas?
Não se esqueça de justificar suas respostas.
FÓRUM
Com base nos conhecimentos adquiridos neste tópico, discuta com os
seus colegas e seu professor a seguinte questão:
É possível atrairmos pedacinhos de papel com um canudinho de
plástico, previamente atritado com flanela. Explique os fenômenos
elétricos que permitem tal experiência se os pedacinhos de papel estavam
eletricamente neutros.
EXERCITANDO
Antes de você começar a resolver os exercícios, é bom ver antes alguns
exemplos resolvidos. Clique aqui (Visite a aula online para realizar
download deste arquivo.) e acesse a lista de Exemplos Resolvidos da Aula
01-Tópico 01.
FONTES DAS IMAGENS
1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer2. http://saude.hsw.uol.com.br/reproducao-humana.htm
3. http://departamentos.cardiol.br/gecesp/coluna/06.asp4. http://www.saudeemmovimento.com.br/reportagem/noticia_exibe.asp?cod_noticia=7585. http://pt.wikipedia.org/wiki/Tales_de_Mileto6. http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Letiano/ATRITO.jpg7. http://pt.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin8. http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/gifs/atomo.jpg9. http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan10. http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=9&idSubSecao=&idTexto=1611. http://pt.wikipedia.org/wiki/Quark12. http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Du_Fay13. http://www.adobe.com/go/getflashplayer14. http://www.adobe.com/go/getflashplayer15. http://e-escola.tecnico.ulisboa.pt/site/personalidades.asp?nome=coulomb-charles-augustin-de16. http://www.oocities.org/informacao_us/atrito.jpg17. http://www.adobe.com/go/getflashplayer18. http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/eletricidade/basico/cap01/fig16.gif19. http://br.geocities.com/jcc5000/oqueeelectroscopio.html20. http://www.fisicaecidadania.ufjf.br/conteudos/eletricidade/eletroscopios.html21. http://www.denso-wave.com/en/
Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior
Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual
TÓPICO 02: CONDUTORES E ISOLANTES
Fonte [1]
Fonte [2]
Fonte [3]
Veja esse eletricista fazendo o seu trabalho. Qual dos dois alicates
mostrados, você acha que ele deve estar utilizando? É quase certo que você
responderá que o eletricista deve usar o alicate amarelo, pois está isolado.
Com o outro alicate ele levaria um choque.
Esta é uma situação tão corriqueira, que a maioria das pessoas nem para
pra pensar quanta Física tem nesse simples ato do eletricista usar um alicate
com isolamento. Você vai aprender sobre esse assunto neste tópico.
PARADA OBRIGATÓRIA
Alguns materiais possibilitam a movimentação das cargas elétricas de
uma região para outra, enquanto outros impedem o movimento das
cargas.
Os materiais que permitem o movimento de cargas elétricas através
dele, são chamados de condutores. Um exemplo de condutores são
os metais.
FÍSICA III
AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB
Os isolantes não permitem o movimento de cargas através deles.
CONDUTORES
Nos átomos dos metais, a última órbita eletrônica perde um elétron
com muita facilidade. Estes elétrons que se soltam das últimas órbitas
eletrônicas podem mover-se livremente através do material. Por isso diz-se
que os metais possuem elétrons livres. O movimento dos elétrons livres
produz a transferência de carga através do metal.
Um exemplo de condutor é o sódio, cujo número atômico Z é igual 11,
ou seja, ele tem 11 prótons no seu núcleo e 11 elétrons se estiver neutro. A
figura abaixo mostra, em uma representação bem simples, o processo do
transporte das cargas elétricas através do sódio.
Fonte [4] (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.)
PARADA OBRIGATÓRIA
Nos metais a condução de eletricidade se dá por meio dos elétrons
livres.
O elétron é a partícula responsável pela carga elétrica negativa do átomo
e também responsável pelo processo de condução de eletricidade nos metais.
ELÉTRON
Características do elétron:
• Massa: 9,11x10-31 kg
• Massa em unidades de massa atômica: 5,49x10-4 uma (1 uma =
1,66x10-27 kg)
• Razão massa do próton/massa do elétron: 1840
• Carga elétrica: – 1,60x10-19 C
• Razão carga/massa (em módulo): 1,76x1011 C/kg
OLHANDO DE PERTO
Nem todos os condutores são metálicos. Existem outras categorias de
condutores: os eletrólitos (soluções aquosas de ácidos, bases e sais), os
gases rarefeitos, os corpos dos animais, o nosso próprio corpo.
ISOLANTES
Os materiais que não permitem a movimentação das cargas no seu
interior são chamados ISOLANTES.
Em um isolante não existem elétrons livres e a carga elétrica não pode
ser transferida através do material.
Exemplos de isolantes: vidro, louça, porcelana, borracha, ebonite,
madeira seca, baquelite, algodão, seda, lã, parafina, enxofre, resinas, água
pura e ar seco.
OLHANDO DE PERTO
Os isolantes são também chamados dielétricos.
SEMICONDUTORES
Uma classe intermediária é a dos SEMICONDUTORES. São
materiais que possuem propriedades intermediárias entre as de um bom
condutor e as de um bom isolante.
Sem dúvida não estaríamos usando nossos
computadores neste momento caso a área de física
de semicondutores não tivesse se desenvolvido
enormemente nas últimas décadas. O que seria de
todos nossos equipamentos eletrônicos super
modernos, compactos e portáteis se os físicos que
trabalham na área de matéria condensada não
tivessem desenvolvido e aperfeiçoado os
transistores? E quanto às diversas aplicações do
laser que observamos na medicina, indústria e até
mesmo em nossos aparelhos de DVD.
Fonte [5]
Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o
Germânio (Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção
atualmente.
LEITURA COMPLEMENTAR
Para um maior aprofundamento nesse assunto, você pode ver o
capítulo 21 do livro Fundamentos de Física, Halliday/Resnick, Vol.3, 7ª
edição.
Para saber mais sobre o elétron e sua descoberta, acesse o link
Descoberta do Elétron [6]
DESAFIO
Com base na sua experiência prévia, liste os materiais que você
considera como bons condutores e os que são isolantes.
CURIOSIDADES
◾ Você sabia que se um motorista dirigir seguidamente por muito tempo, ao sair do carro pode sofrer um choque causado pela eletricidade estática?
PARE SABER COMO, CLIQUE AQUI
O veículo ficando muito tempo em atrito com o ar acumula a
carga elétrica (o atrito arranca elétrons - cargas negativas - do metal
do veículo, que fica assim com prótons - as cargas positivas - a
mais), e o motorista acaba fazendo a ligação entre as partes
metálicas e o solo, ao colocar os pés no chão. Para isso ocorrer, o ar
precisa estar bastante seco, como ocorre nos países de clima frio,
durante o inverno.
◾ Você sabia que os caminhões-tanque possuem correntes que arrastam pelo chão para descarregar a eletricidade estática do veículo?
PARE SABER O PORQUÊ, CLIQUE AQUI
Isso evita uma eventual explosão do combustível transportado.
◾ Você sabia que nas corridas de Fórmula 1, por exemplo, os boxes das equipes têm o chão revestido de chapas flexíveis de cobre?
PARE SABER O PORQUÊ, CLIQUE AQUI
Porque elas retiram as cargas positivas da lataria dos carros de
corrida, restabelecendo o equilíbrio elétrico, como se fosse um fio-
terra. Assim, o reabastecimento dos veículos pode ser feito em
segurança.
FONTES DAS IMAGENS
1. http://eletricatotal.files.wordpress.com/2010/04/9492b_3.jpg 2. http://www.casaferramentas.com.br/wp-content/uploads/2010/08/Alicate-Universal-Profissional-ELETRICISTA-BELZER.jpg3. http://thumbs2.ebaystatic.com/d/l225/m/m6VoNjIOHGYKiLaiSlvbqoQ.jpg 4. http://szfisica.pro.br/parte4/eletrostatica1.pdf5. http://incertezaemprincipio.wordpress.com/2007/11/24/semicondutores6. http://www.infoescola.com/fisica/descoberta-do-eletron/7. http://www.denso-wave.com/en/
Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior
Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual
TÓPICO 03: FORÇA ELÉTRICA: A LEI DE COULOMB
Você já viu no tópico anterior que corpos carregados atraem-se ou
repelem-se dependendo do sinal de suas cargas. Mas, o que faz com eles se
aproximem ou se afastem?
Certamente essa pergunta deve ter incomodado muitos cientistas no
passado. Um deles foi o francês Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806)
que encontrou em 1785, a resposta que hoje é uma lei que leva o seu nome.
LEI DE COULOMB
Para explicar a interação entre corpos carregados Coulomb mediu, em
1785, o valor das forças elétricas de atração e repulsão entre pequenas
esferas carregadas. Para isso ele desenvolveu um aparelho chamado
balança de torção que consiste de um mecanismo muito sensível ao torque,
ou seja, se o corpo for atraído ou sofrer algum tipo de repulsão esta balança
pode calcular a grandeza da força que provocou esse torque.
O cientista francês Charles Coulomb conseguiu estabelecer
experimentalmente uma expressão matemática que nos permite calcular o
valor da força entre duas partículas carregadas.
Resultados obtidos experimentalmente por Coulomb:
◾ A intensidade da força elétrica é diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas.
◾ A intensidade da força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas.
PARADA OBRIGATÓRIA
Se duas cargas puntiformes Q1 e Q2 estão separadas pela distância
d, a LEI DE COULOMB diz que o módulo da força entre elas é:
onde k = 9x109 N m2/C2 é a constante eletrostática do vácuo.
A lei de Coulomb, que expressa a força elétrica entre duas cargas
puntiformes, pode ser expressa em um gráfico, como mostrado na figura
abaixo:
FÍSICA III
AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB
PARADA OBRIGATÓRIA
A Lei de Coulomb é válida somente para partículas, isto é, para corpos
cujas dimensões são muito menores do que a distância de separação entre
eles. Costuma-se dizer também que partículas carregadas são cargas
puntiformes.
A CONSTANTE ELETROSTÁTICA
A constante k é chamada de constante eletrostática e está relacionada
com as propriedades elétricas do meio. Comumente ela é expressa em
termos de outra constante, a permissividade elétrica do meio representada
pela letra gregaε.
No Sistema Internacional ( SI ) a constante k é dada por:
ε é a constante de permissividade elétrica do vácuo:
Na resolução dos problemas numéricos, nos contentaremos com o
valor aproximado de ε
No Sistema SI a constante eletrostática no vácuo, k0, é dada por
OLHANDO DE PERTO
Lembre-se que força é uma grandeza vetorial. A direção da força que
qualquer uma das cargas exerce sobre a outra é sempre ao longo da linha
reta que liga as duas cargas: a força elétrica é uma força central.
FORÇAS DE REPULSÃO
FORÇAS DE ATRAÇÃO
: Força que a carga 2 exerce sobre a carga 1
: Força que a carga 1 exerce sobre a carga 2
OLHANDO DE PERTO
Esta notação é arbitrária, você poderá encontrar a força que a carga 2
exerce sobre a carga 1 escrita assim:
PARADA OBRIGATÓRIA
A força elétrica obedece à Terceira Lei de Newton (lei da ação e
reação).
Aproveite para fazer uma revisão das Leis de Newton.
Eletrostática, isso tem alguma utilidade?
O PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO
As grandes indústrias lançam toneladas de poluentes na atmosfera
através de suas chaminés. Na Vila Parisi, situada dentro do parque
industrial de Cubatão, na Baixada Santista, os 4 mil habitantes sofriam
graves doenças respiratórias. Casos de anencefalia (crianças nascidas sem
cérebro) eram atribuídos à poluição.
A força elétrica pode ser utilizada para diminuir essa poluição
atmosférica causada pelas chaminés das indústrias ou para filtrar o ar de
nossas casas.
Fonte [4]
Grande parte dos poluentes expelidos pelas chaminés das indústrias é
formada por partículas sólidas muito pequenas. A maneira mais eficaz de
limpar a fumaça é usar um precipitador eletrostático. A fumaça ou ar
contaminado passa através de eletrodos carregados que eletrizam as
partículas poluentes. Em seguida elas são recolhidas por placas eletrizadas
com cargas opostas. A placa coletora por ter carga contrária à carga das
partículas poluentes, as atrai, fazendo com que essas partículas se
depositem em sua superfície, limpando o ar. A figura abaixo mostra um
esquema simplificado do processo.
Fonte [5] (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.)
A COPIADORA XEROX
Quantas cópias Xerox você já tirou na sua vida? Nem dá para contar
não é? Você sabia que as máquinas copiadoras tipo Xerox funcionam
graças aos processos de eletrização?
Fonte [6]
CURIOSIDADE
Xerografia significa escrita a seco. Hoje em dia todo mundo fala
apenas Xerox. Mas a cópia Xerox foi inicialmente chamada de
eletrofotografia. O nome foi alterado depois para xerografia, do grego
Xerox = seco e grafia = escrita.
UMA COPIADORA XEROX FUNCIONA ASSIM:
1º PASSO
O cilindro é previamente eletrizado (carregado);
2º PASSO
A luz incide no original e atinge o cilindro carregado. As partes claras
do original (refletem mais luz) e descarregam as partes do cilindro que ela
atinge. As partes escuras do original (refletem menos luz) não
descarregando as partes correspondentes no cilindro;
3º PASSO
Adiciona-se o toner que vai se fixar nas partes que permaneceram
carregadas no cilindro em concentração proporcional à carga existente
naquelas partes;
4º PASSO
Ao passar a folha em branco o toner, após leve aquecimento, é
transferido ao papel onde termina por aderir completamente e
reproduzindo a imagem do original, com partes claras e escuras
correspondente às quantidades de toner fixado no cilindro. É por este
motivo que em dias úmidos ou se o papel não estiver seco as cópias tendem
a ser de má qualidade.
OLHANDO DE PERTO
O inventor da fotocopiadora foi o químico Chester F. Carlson [7].
A Lei de Coulomb pode ser aplicada para mais de duas cargas?
Para responder a esta pergunta, veja o exemplo abaixo envolvendo 3
cargas puntiformes. O procedimento é simples: as forças são calculadas
separadamente para cada par de cargas e o resultado é dado pela soma
vetorial das forças atuantes.
As forças sobre a carga q2, por exemplo, são F12 exercida pela carga 1 e
F32 exercida pela carga 3. A força resultante sobre a carga q2 é a soma
vetorial das duas forças, isto é:
DESAFIO
Você pode descobrir quais são as forças sobre as outras cargas?
VEJAMOS MAIS UM EXEMPLO
Fonte [8]
Se você quer determinar a força total que as cargas q2 e q3 exercem
sobre a carga q1, deve calcular separadamente as forças F12 e F13 usando a
lei de Coulomb, como você já viu. A força resultante é dada pela soma
vetorial de ambas:
O módulo da força resultante sobre a carga q1 você calcula usando o
Teorema de Pitágoras:
DESAFIO
Da mesma forma você pode determinar a força total atuando nas
outras cargas, q2 e q3. Vamos tentar?
FORÇAS ELÉTRICAS E GRAVITACIONAIS NO ÁTOMO
Imagine que a figura abaixo representa um átomo de hidrogênio: Um
elétron de carga –e girando em torno do núcleo de carga +e:
Temos aqui um caso de atração eletrostática entre as duas cargas de
sinais contrários, aonde a força coulombiana desempenha o papel da força
centrípeta que mantém o elétron no seu movimento circular em torno do
núcleo.
CURIOSIDADE
Você sabia que houve um tempo em que muitos cientistas respeitáveis
não acreditavam na existência dos átomos?
ELES NÃO ACREDITAVAM NA EXISTÊNCIA DO ÁTOMO
JEAN BAPTISTE DUMAS
O notável químico francês Jean Baptiste Dumas, por exemplo,
proclamou: " Se eu fosse dono da situação, eu faria desaparecer da
Ciência o termo átomo, persuadido de que ele ultrapassa a experiência, e
que, na química, nunca devemos ultrapassar a experiência."
KEKULÉ
O químico alemão Kekulé, famoso por sua descoberta do anel do
benzeno (que ele supostamente, interpretou de maneira puramente
simbólica), encontrou, para dizer sobre o átomo, as seguintes palavras:
" A questão da existência do átomo é pouco significativa sob o ponto de
vista químico; sua discussão pertence mais à metafísica. Na química,
devemos apenas decidir se o reconhecimento dos átomos constitui uma
hipótese condizente com o esclarecimento dos fenômenos químicos."
MARCELIN BERTHELOT
"E quem já viu uma molécula de gás ou um átomo?" aguilhoava o
químico Marcelin Berthelot.
Atualmente ninguém mais duvida da existência dos átomos e podemos
utilizar a eletrostática para determinar a força que mantém unidos os
elétrons ao núcleo dos átomos.
VEJAMOS MAIS UM EXEMPLO
Vamos determinar a força entre o elétron e o núcleo do mais simples
dos átomos, o átomo de hidrogênio.
Você pode comparar na tabela abaixo os valores de carga elétrica e
massa das partículas fundamentais do átomo. A massa do elétron é cerca
de 1840 vezes menor do que a do próton.
Partícula Próton
Carga (C) + 1,6 x 10-19
Massa (Kg) - 1,6 x 10-19
Para um átomo de hidrogênio a distância entre o elétron e o núcleo
(próton) é aproximadamente 5,3 10-11 m.
Calculando as forças gravitacionais e elétricas entre o próton e o elétron:
FORÇA ELÉTRICA (EM MÓDULO)
FORÇA GRAVITACIONAL (EM MÓDULO)
COMPARANDO OS VALORES
FORÇA ELÉTRICA (EM MÓDULO)
FORÇA GRAVITACIONAL (EM MÓDULO)
COMPARANDO OS VALORES
Você pode ver com isso como a força elétrica é muito mais forte do que a
gravitacional.
MULTIMÍDIA
Entre neste site:Física Interativa [10] onde você poderá assistir a uma
aula interativa, COM ÁUDIO, sobre:
◾ Processos de eletrização
◾ Condutores e Isolantes
◾ Eletrização por contato
◾ Eletrização por indução
◾ Lei de Coulomb
MULTIMÍDIA
Acesse este site:
Física Interativa [11] para ver a solução, COM ÁUDIO, de um
exercício envolvendo a Lei de Coulomb. É muito interessante!
EXEMPLOS RESOLVIDOS
Antes de começar a resolver as suas atividades de portfólio, treine
com estes exemplos resolvidos.
Acesse no material de apoio a lista de exemplos resolvidos da aula 01-
tópico 03 (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.).
FONTES DAS IMAGENS
1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer2. http://www.adobe.com/go/getflashplayer3. http://www.adobe.com/go/getflashplayer4. http://bp0.blogger.com/_LsNSsZKIVs4/SI4NQ0J9AZI/AAAAAAAAAJY/Q7AKSBts-SI/s200/cubatao.jpg5. http://szfisica.pro.br/parte4/eletrostatica1.pdf6. http://marcioleitaoexpress.files.wordpress.com/2011/05/fotocopiadora.jpg?w=6457. http://pt.wikipedia.org/wiki/Chester_Carlson8. http://www.mspc.eng.br/elemag/img01/eletr_carga03.png 9. http://www.adobe.com/go/getflashplayer10. http://www.fisicainterativa.com/vestibular/eletrostatica/player.html11. http://www.fisicainterativa.com/vestibular/eletrostatica/player.html12. http://www.denso-wave.com/en/
Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior
Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual
TÓPICO 04: CONSERVAÇÃO E QUANTIZAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA
CONSERVAÇÃO DA CARGA
Quando um corpo é eletrizado não há criação de cargas no processo. Se
um dos corpos cede certa carga negativa ao outro, ele ficará carregado
positivamente, com a mesma quantidade de carga cedida ao outro. Isto é
coerente com a observação de que a matéria neutra, isto é, sem excesso de
cargas, contém o mesmo número de cargas positivas ( -- (prótons no núcleo
atômico) ) e negativas ( -- (elétrons).) .
PARADA OBRIGATÓRIA
Lei da conservação da carga elétrica: A carga não pode ser criada nem
destruída. Podemos transferir carga de um corpo para outro, mas a carga
total de um sistema isolado permanece inalterada.
DICA
A Lei da conservação da carga é tão poderosa que se aplica a todos os
fenômenos envolvendo cargas elétricas. Desde o simples esfregar de um
pente com uma flanela a uma reação nuclear no interior de uma bomba
atômica.
DESAFIO
Se você acessar este site: Conservação da carga elétrica [1] você verá a
sugestão de uma experiência cujo objetivo é mostrar que quantidades
iguais de cargas positivas e negativas são sempre geradas
simultaneamente.
QUANTIZAÇÃO DA CARGA
No século XVIII, acreditava-se que a carga elétrica era um fluido
continuo. No início do século XX, Robert Millikan (1868-1953) com sua
experiência da gota de óleo [2] mostrou que a carga de um corpo é sempre
um múltiplo inteiro de uma carga fundamental.
PARADA OBRIGATÓRIA
LEI DA QUANTIZAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA:
A carga de um corpo eletrizado é sempre um múltiplo inteiro de uma
carga fundamental.
OLHANDO DE PERTO
O valor da carga do elétron e = 1,6021917 x 10-19 C é uma das
constantes fundamentais da natureza.
FÍSICA III
AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB
QUANTIZAÇÃO
O termo quantização teve origem com o desenvolvimento da Física
Moderna. Uma grandeza é quantizada, ou discreta, quando não assume
valores contínuos.
As grandezas físicas são ditas quantizadas quando entre os valores que
ela pode assumir existem valores que são proibidos.
Quando você estudar o átomo de hidrogênio na disciplina de
Princípios de Física Moderna, você aprenderá que a menor energia que um
elétron pode possuir ao orbitar em torno de um núcleo de hidrogênio é
-13,6 eV.
Quando o átomo é excitado o elétron poderá saltar para o nível
seguinte (-3,4 eV), mas jamais possuirá uma energia intermediária. Todos
os valores de energia entre -13,6 eV e -3,4 eV estão proibidos! Por isso
dizemos que a energia é QUANTIZADA.
Talvez uma comparação com o cotidiano o faça entender melhor essa
questão da quantização. Que tal falarmos de dinheiro? Disso todo mundo
entende não é?
Imagine que você tem R$ 100,00 no bolso. Você já parou pra pensar
que não importa se você tem R$ 1,00, R$ 100,00 ou R$ 1.000.000,00,
qualquer quantidade de dinheiro é sempre múltipla da unidade mínima da
nossa moeda que é R$ 0,01? Isso mesmo, um centavo! Não existe moeda
menor do que essa. Nesse sentido R$ 0,01 é um quantum do nosso
dinheiro.
Qualquer quantidade de dinheiro (QD) pode ser escrita como:
QD = n 0,01
Onde n é um inteiro
Se o valor de n é grande ou pequeno, isso já é outra questão!
CURIOSIDADE
A palavra QUANTUM é originária do latim e significa quantidade de
algo. Quantum é um termo genérico que significa uma quantidade,
usualmente elementar, unitária, de algo de natureza qualquer, abstrata ou
concreta.
O plural de QUANTUM é QUANTA.
ATIVIDADE DE PORTFÓLIO
Agora resolva os exercícios (Visite a aula online para realizar
download deste arquivo.) e coloque-os no seu portfólio como parte das
atividades da aula 1.
FONTES DAS IMAGENS
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