Física Geral III Capítulo 1 – Carga elétrica (1ª Aula/2 Aula) (Cap. 23 – halliday, Cap. 21 Sears, Cap 29 Tipler – vol 2)

Sumário:

1.1 – Introdução

1.2 – A carga Elétrica

1.3 - A carga Elétrica e a Estrutura da Matéria

1.4 – Condutores e Isolantes

1.5 – A lei de Coulomb

1.6 – As constantes da Física

1.1 – Introdução Porque estudar Eletricidade e Magnetismo ?

Você já imaginou sua vida sem Eletricidade e Magnetismo

•Neste capítulo damos início ao estudo do eletromagnetismo, ou seja o estudo das interações elétricas e magnéticas.

•Vamos observar que estas interações envolvem partículas que possuem uma grandeza chamada carga elétrica, que é uma propriedade da matéria tão fundamental quanto a massa

1.2 – A carga Elétrica

Nossa percepção da existência da carga elétrica começa como uma observação bastante simples: Alguns corpos atritados podem atrair pequenos objetos !

De onde vem esta idéia??

De fato, primeiras observações remontam a Grécia antiga

Tales de Mileto (640-546 A.C.) – âmbar quando atritado atraia pequenos objetos.

Elétrico, do grego elektron ou âmbar!

Por sua vez, a palavra magnética vem de Magnésia – região onde se encontrava magnetita.

Sec XVI – Willian Guilbert

•Mostrou que outros materiais além do âmbar, quando atritados também tinham propriedades atrativas

•Reconheceu com clareza a diferença entre atração elétrica e atração magnética

•Descobriu o comportamento da agulha magnética.

1729 Stephen Gray

•Descobriu que era possível transferir para outros corpos a eletricidade produzida no vidro, por atrito, através de um grupo de materiais.

•Foi o descobridor da eletrização por indução, preferencialmente observada em corpos metálicos.

•Explicou também as prioridades de condutores e isolantes.

1733 – Charles François du Fay

Descobriu duas espécies de eletricidade:vítrea e resinosa. Admitiu a existência de dois fluidos (virtude elétrica) que se separavam pelo atrito e, eram, neutralizados quando se combinavam

•Objetos com carga de mesmo sinal se repelem •Objetos com carga de sinal opostos (diferentes) se atraem

1747 – Benjamin Franklin

•Propôs um modelo de um só fluido para os fenômenos elétricos: •Todo corpo tem uma quantidade normal de eletricidade. Quando um corpo é atritado contra outro, parte desta eletricidade é transferida de um para o outro; um fica com excesso e o outro com igual deficiência.

•Excessos e deficiências podem ser caracterizado pelos sinais positivo e negativo •Importante aspecto: lei da conservação de carga – a carga elétrica não criada pelo atrito, é somente transferida •Um bastão de vidro atritado adquire um excesso de eletricidade e é positivo, enquanto o de ambar torna-se negativo

1747 – Joseph Priestley

•Demonstrou não haver eletricidade no interior de um vaso metálico oco (exceto nas vizinhança de uma abertura)

•Concluiu que a força entre duas cargas variava com o inverso do quadro da distância entre elas, assim como a força gravitacional entre massas

Franklim observou que bolinhas de cortiça no interior de um cálice metálico não eram afetas pela eletricidade do cálice. Pediu a Priestley para estudar o fato...

1784 – Charles Augustin Coulomb

,

A lei do inverso do quadrado da distância para as interações elétricas foi confirmada, usando-se uma balança d torção

Século XIX : grande avanço nos conhecimentos da eletricidade e magnetismo

Experimentos de Michael Faraday

James Clerk Maxwell – teoria do eletromagnetismo

1837 – J.J.Thomson

Mostrou que todas as substâncias contém partículas que têm a mesma razão entra a carga elétrica e a massa

Elétrons

1909 – Robert Millikan (nobel de Física de 1923)

Descobriu que a carga elétrica sempre aparecia como múltiplo inteiro de uma unidade fundamental

A carga é quantizada:

Deste rápido apanhado histórico podemos tirar três importantes propriedades da carga elétrica:

A carga é quantizada

A força entre cargas elétricas puntiformes varia com o inverso do quadrado da distância entre as cargas

A carga se conserva

ee

1.3 - A carga Elétrica e a Estrutura da Matéria

Leucipo e Democritus: a matéria só pode ser dividida até sua menor parte: O Átomo

Modelos Atômicos O modelo de Thomson; Pudim de Passas

O modelo de Rutherford

As cargas positivas concentradas em um ponto massivo central, chamado núcleo, e os elétrons (negativos) situados em pontos remotos afastados cerca de 1 A do núcleo.

e

1A

O modelo de Bohr - 1913 O elétron de carga –e e massa m descreve órbita circular ao redor do núcleo de carga Ze, obedecendo as leis de Newton

Quantização do momento angular

Elétrons ganham ou perdem energia quando transitam entre órbitas permitidas

1.4 – Condutores e Isolantes

Condutores: materiais que apresentam cargas negativas movendo-se livremente

Isolantes:materiais nos quais nenhuma carga pode mover-se livremente

“ Quando os átomos de um condutor, como o cobre, se reunem para formar o sólido, alguns de seus elétrons mais externos (assim mais fracamente ligados) não permanecem exatamente ligados aos seus respectivos átomos, mas sim podem se deslocar livremente através do volume do sólido”(H&R). Estes elétrons são chamados elétrons de condução

BV

BC

Condutor

E(eV)

BV

BC

GAP

Semicondutor

Energia

E(eV) BC

GAP

BV

Isolante

E(eV)

Elétrons (carga negativa) é que se movem !!

Um objeto torna-se carregado positivamente através da remoção de cargas negativas !!

1.5 – A lei de Coulomb

A lei de Coulomb expressa a força eletrostática de atração ou repulsão, entre duas cargas puntiformes, q1 e q2 separadas por uma distância r, que em módulo é dada por:

Semelhança com lei de gravitação de Newton

Diferença: Força Gravitacional somente atrativa ; Força elétrica atrativa ou repulsiva , dependendo do sinal da carga

Unidade de carga no SI: Coulomb – Um Coulomb é a quantidade de carga que atravessa em um segundo a seção reta de um fio percorrido por uma corrente de um Ampère

Princípio da superposição:

Onde por exemplo é a força sobre a partícula 1 devido a presença da partícula 4

1.6 – As constantes da Física

Constante de estrutura fina:

137

1

2 0

2

hc

e

Exemplos: