PARTICULAR

ELETRICIDADEPARTE 01: ELETROSTÁTICA

Albino AC de Novaes

01/01/2010

Obs.: até campo elétrico

Aguarde a segunda parte.

Notas de aula

ELETRICIDADE

É a parte da Física que analisa os fenômenos relacionados com a carga elétrica.

O QUE É CARGA ELÉTRICA?

Hoje sabemos que, por atrito, qualquer substância adquire a propriedade de atrair outros corpos, além, é claro dos corpos magnetizados naturalmente, desde que tomemos certos cuidados.

Para explicar esta propriedade atrativa admitiu-se que, pelo atrito, os corpos adquiram “alguma coisa” (que não sabiam explicar muito bem o motivo) que se convencionou chamar de carga elétrica . Seria esta carga elétrica a responsável pela propriedade atrativa adquirida pelos corpos atritados.

Carga elétrica é um conceito primitivo, assim como eletricidade, ponto, reta, plano, tempo, temperatura, etc.

Não podemos definí-la, mas podemos caracterizá-la pelo seu efeito: a carga elétrica á algo que permite ao corpo atritado manifestar a propriedade de atrair outros corpos.

A LEI DU FAY:

“Cargas elétricas da mesma espécie se repelem e de espécies diferentes se atraem.”

SINAIS DAS CARGAS ELÉTRICAS:

A espécie de carga elétrica adqurida pelo vidro atritado com seda foi chamada inicialmente de carga elétrica vítrea. Mais tarde foi corrigido para carga elétrica positiva.

A espécie de carga elétrica adquirida pela resina atritada com lã foi chamada de carga elétrica resinosa. Corrigida tempos depois para carga elétrica negativa.

O ÁTOMO. O PRÓTOM E O ELÉTRON.

Todas as substâncias são formadas de pequenas partículas chamadas átomo. Elas são tão pequenas que uma cabeça de alfinete pode ter 60 milhões deles. No átomo, os elétrons orbitam no núcleo, que contém prótons e nêutrons.

Existem outras particulas, mas nosso interesse vai se restringir às duas que têm interesse para o estudo da Eletricidade.

Didaticamente, o estudo da eletricidade foi dividido em três partes, a saber: ELETROSTÁTICA, ELETRODINÂMICA E ELETROMAGNETISMO.

ELETROSTÁTICA: estuda as propriedades e a ação mútuas das cargas elétricas em repouso em relação a um sistema inercial de referência.

ELETRODINÂMICA: é a parte da eletricidade que estuda, analisa e observa o comportamento das cargas elétricas em movimento. À movimentação das cargas elétricas, cujos exemplos existem em grande número, inclusive em nosso organismo, como minúsculas correntes elétricas nervosas que propiciam a nossa atividade muscular.

ELETROMAGNETISMO: é o nome que se dá ao conjunto de teorias que Maxwell, apoiado em outras descobertas, desenvolveu e unificou para explicar a relação existente entre eletricidade e o magnetismo.

Vamos estudar inicialmente a ELETROSTÁTICA.

Exemplo:

Num sistema eletricamente isolado, constituído de três corpos A, B e C, há a seguinte distribuição inicial de cargas elétricas: QA=10 C, QB=5,0 C e QC=-8,0 C. Ocorrem, então duas transferências de cargas: 2,0 C de A para B e 1,5 C de B para C. Determine:

(a) a quantidade de carga elétrica no sistema antes e depois das transferências;(b) as quantidades de carga elétrica de cada corpo após a transferência.

Resolva você os seguintes problemas:

Exercício 01:

Exercício 02:

CONDUTORES E ISOLANTES ELÉTRICOS:

1- CONDUTORES: materiais nos quais os portadores de carga elétrica têm grande liberdade de movimento; podem ser de dois tipos:

a- Eletrônicos: os portadores de carga são os elétrons livres (que deixam os átomos nos quais orbitam e movem-se pelos espaços interatômicos). Por exemplo: metais e grafite.

b- Iônicos: os portadores de carga são íons (átomos ou grupos de átomos que receberam ou perderam elétrons). Exemplos: gases ionizados e soluções eletrolíticas (ácidos, bases e sais em solução.

2- ISOLANTES OU DIELÉTRICOS: materiais nos uais os portadores de carga elétrica não encontram facilidade de movimento. Exemplos: ar atmosférico, água pura, ebonite (substância resultante da vulcanização da borracha, é dura e apresenta coloração negra).

NOTAS IMPORTANTES:

CORPO ELETRIZADO: diz-se dos corpos que possui o número de elétrons diferentes do número de prótos. Podemos ter, então:

UNIDADE NO SI (SISTEMA INTERNACIONAL ) DE CARGA ELÉTRICA: O COULOMB.

EXEMPLO:

Um corpo eletrizado positivamente apresenta a quantidade de carga elétrica de 480 µC. Calcule o número de elétrons perdidos pelo corpo. Inicialmente neutro.

PROBLEMAS PROPOSTOS:

EX.1

EX.2

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

Um dos processos pelos quais se realiza a eletrização de um corpo neutro é através do atrito entre materiais diferentes. É o método denominado triboeletrização ou eletrização por atrito.

Quando dois corpos neutros, de materiais diferentes, são atritados, ocorre uma troca de elétrons entre eles, um cedendo para o outro.. Em consequência, um corpo eletriza-se positivamente e outro, negativamente, com quantidades de cargas elétricas iguais em valor absoluto.

Para se conhecer os sinais das cargas elétricas dos corpos após o atrito, faz-se o uso de uma tabela que ordena os materiais: a série triboelétrica.

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

Quando um condutor eletrizado por contato com um outro condutor neutro, há eletrização deste último com o mesmo sinal do primeiro.

Obs.: No caso particular em que dois condutores apresentam as mesmas dimensões e o mesmo formato, ambas ficam com a mesma quantidade de carga elétrica, após o contato. Como mostramos no esquema seguinte.

A seguir apresentamos um exemplo para demonstrar o uso da série triboelétrica.

Aplicação:

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

Ex. 01

Ex.02

Ex.03

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

No processo de eletrização por indução, o corpo inicialmente neutro a seer eletrizado deve ser um condutor e será denominado induzido.

A seguir, demonstramos passo a passo a efetivação desse processo.

ATENÇÃO: pode-se concluir que a atração entre dois corpos ocorre quando:

(a) Ambos estão eletrizados com cargas elétricas de sinais opostos ou(b) Um deles está eletrizado e o outro neutro, devido ao fenômeno da indução

eletrostática.

Mas, note-se que a repulsão só ocorre quando ambos estão eletrizados com cargas de mesmo sinal.

Vejamos o caso em que o indutor esteja carregado negativamente, o induzido ficará eletrizado positivamente, conforme a sequência que apresentamos no esquema seguinte.

A ligação à terra tem importância não apenas nos proessos de eletrização por indução mas, também, para descarregar a eletricidade estática, como nos chuveiros, nas geladeiras, nas máquinas de lavar, etc. Há, ainda , a utilização de correntes metálicas nas traseiras dos caminhões-tanques para descarregar a eletricidade estática (que pode ser gerada por atritos nos tanques com o ar e com o próprio combustível que transporta) evitando, assim, risco de explosão.

ELETROSCÓPIOS

Os apareljos de se destinam à verificação da eletrização dos corpos são chamdos de eletroscópios.Eles indicam se um corpo está ou não eletrizado. Os tipos mais comuns são:

EXEMPLO

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

EX.01

EX.02

EX.03

EX.04

EX.05

EX.06

EX.07

EX.08

EX.09

EX.10

EX.11

EX.12

EX.13

EX.14

EX.15

FORÇA ELÉTRICA

Vimos anteriormente que as partículas com cargas de mesmo sinal se repelem e as de sinais diferentes se atraem. Essa força de interação eletrostática entre as partículas carregadas foi medida pela primeira vez por C. A. de Coulomb (em 1785). O enunciado simplificado da Lei de Coulomb pode ser escrito assim:

O módulo da força de interação eletrostática entre duas partículas carregadas é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

O modelo matemático do enunciado de Coulomb (obtido por várias experimentações) é dado por:

K é uma constante de proporcionalidade que depende do meio em que as partículas estão imersas; é denominada constante eletrostática.

Exemplos (exercícios resolvidos)

Exemplo 01

Exemplo 02:

Obs.

Deve-se evitar usar a expressão “carga elétrica puntiforme” pela sua incorreção – equivale a ponto material eletrizado. É comum encontramos a expressão carga pontual.

Exemplo 04:

Exemplo 05

Exemplo 6:

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

EX.1

EX.2

EX.3

EX.4

EX.5

EX.6

EX.7

EX.8

EX.9

CAMPO ELÉTRICO

Considere uma carga elétrica Q. Ao se colocar, nas proximidades, uma carga de prova q, esta será atraída ou repelida pela carga Q. Então diz-se que a carga q está imersa num campo elétrico gerado pela carga Q. A ilustração abaixo duas forças F1 e F2, cujas intensidades podem ser determinadas pela Lei de Coulomb.

VETOR CAMPO ELÉTRICO

MODELO MATEMÁTICO DA INTENSIDADE DO CAMPO ELÉTRICO

EXEMPLO

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

EX.1

EX.2

EX.3

EX.4

CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA PUNTIFORME

Seja uma carga central, fixa, Q, puntiforme, e uma carga de prova q, mergulhada no campo elétrico Q.

MODELO MATEMÁTICO DA INTENSIDADE DE CAMPO ELÉTRICO (E)

A intensidade do vetor campo elétrico criado por uma carga Q, não depende da carga de prova q, como sugere a expressão:

CAMPO ELÉTRICO DE VÁRIAS CARGAS PUNTIFORMES

Sejam n cargas puntiformes fixas Q1, Q2, Q3, ..., Qn e um ponto P do espaço.

EXEMPLOS

EX.1

EX. 2

EX.3

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

EX.1

EX.2

EX.3

EX.4

EX.5