ilguns fatos qualitativos sÔbre a … alguns fatos sÔbre o comportamento da luz xime-o do...

comunicações elétricas, modificaram comple-tamente nosso sistema de vida. Quanto aoaspecto científico, aprendemos que as fôrçaselétricas controlam a estrutura dos átomos edas moléculas. A eletricidade está associada avários processos biológicos como, por exemplo,a ação dos nossos nervos e do nosso cérebro.

IlGUNS FATOS QUALITATIVOS SÔBRE A ELETRICIDADE

CAPITULO 27Na Parte IH, aprendemos que todo corpo

material atrai outro corpo material com umafôrça conhecida como fôrça gravitacional.Esta fôrça só tem consequências práticasquando um dos corpos tem massa muito gran-de, como um planêta, por exemplo. Entretanto,a fôrça gravitacional não é a única fôrça deação à distância que pode existir entre corposmateriais. Existem outras muito mais fortes.Um pequeno imã é capaz de levantar da mesaum prego de ferro, contra a atração gravita-cional de tôda a Terra. Um pente atritadosôbre a manga do paletó atrai fragmentos depapel. Estes são exemplos de fôrças magnéticase elétricas, respectivamente.

Essas fôrças são conhecidas desde a anti-guidade. Os antigos gregos sabiam das pro-priedades de um minério de ferro (magnetita)que é um imã natural. As palavras magnetita,manetismo e outras, derivam do nome de umacidade da Asia Menor, Magnésia, perto daqual foi encontrado o. minério. Diz-se tam-bém que o filósofo grego, Thales, teria obser-vado fôrças elétricas há cêrca de vinte e cincoséculos. Teria verificado que o âmbar, quandoatritado, atrai pequenos objetos. A palavraeltricidade vem de "elektron", nome grego doâmbar.

Entretanto, foi somente durante a Renas-cença que se desenvolveu de forma sistemá-tica o estudo da eletricidade e do magnetismoe os físicos só conseguiram uma compreensãoclara do assunto no fim do século passado.Dificilmente encontrar-se-á um fato científicode consequências tão profundas e de tãogrande alcance. Dêle resultaram inúmerasaplicações práticas. A produção e a utilizaçãoda energia elétrica e o desenvolvimento das

27 - 1. Atração e Repulsão entre Objetos:Eletrizados.

Examinaremos, agora, alguns fatos básicos-relativos à eletricidade e ao magnetismo ediscutiremos sua interpretação. Comecemoscom uma experiência simples. Esfregue umbastão de vidro com um pedaço de seda esuspenda-o como mostra a Fig. 27-1. Emseguida, atrite outro bastão de vidro e apro-

27-1 - Duas barras de vidro eletrizadas repelem-se,

10 ALGUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ

xime-o do primeiro. Os dois bastões se repe-lem.

Repita a experiência com duas barras deplástico friccionadas com uma pele de animal.O~ dois bastões de plástico repelem-se damesma maneira que os dois bastões de vidro(Fig. 27-2).

27-2 - Du8.8 barras plãsUcas eletrizadas também serepelem. Esta fotolP'afia foi tirada com exposição demo-rada, enquanto um dos bastões estava sendo aproximadodo outro. A fOros. repulsiva empurrou uma das extre-midades do bastãc suspenso pela Unha.

Finalmente, friccione um bastão de vidrocom seda e um de plástico com pele. Suspendaum dêles como indica a Fig. 27-1 e aproximeo outro. Você verificará que êles se atraem.

Podemos realizar experiências semelhantesa essas com muitos outros materiais. Objetosde mesmo material, que foram "eletrizados"pelo mesmo processo, sempre se repelem.Objetos diferentes eletrizados por processosdiferentes podem atrair-se ou repelir-se.

Verificamos que os corpos eletrizados podemser classificados em dois grupos. Existemapenas dois "estados elétricos": um semelhanteao do vidro e outro semelhante ao do bastãode plástico da experiência anterior. Seguindoa tradição que vem desde o tempo de Benja-min Franklin, diremos que o vidro e os corposeletrizados que apresentam o mesmo compor-tamento que o vidro estão carregados positi-vamente, e que o bastão de plástico e osobjetos eletrizados que se comportam como

êle estão carregados negativamente. " DoiscOlJlos quaisquer com cargas positivas repe-lem-se, da mesma forma que dois bastões devidro eletrizados o fazem. Do mesmo modo,dois corpos quaisquer com cargas negativasrepelem-se. Qualquer objeto carregado positi-vamente atrai qualquer objeto carregado nega-tivamente.

27 - 2. Fôrças Elétricas entre as Partículasque Constituem .a Matéria.

Aprendemos que a matéria é feita de átomose que os átomos podem ser desdobrados emunidades menores. Mas até agora, neste livro,não enfrentamos o problema de decidir seexistem partículas fundamentais a partir dasquais todos os átomos são constituidos. Oestudo da eletricidade nos dará algumas infor-mações importantes sôbre esta questão.

Para começar, é natural supor que a fôrçaentre dois objetos é a sorna vetorial das fôrçasque agem entre as partículas de que sãoconstituidos. Como há corpos eletrizados quese atraem e outros que se repelem, podemossupor que também existem fôrças de atraçãoe de repulsão entre as partes de que sãoconstituidos os objetos. Como há objetos ele-tricamente positivos e eletricamente negativos,admitimos a hipótese de que, entre as par-tículas que constituem a matéria, haja dois tiposde partículas: positivas e negativas. Duaspartículas de mesmo sinal se repelem e duaspartículas de sinais opostos, se atraem. Algu-mas das partículas de que é constituida a ma-téria pertencem a Ulil terceiro grupo. Osnêutrons, por exemplo, não se comportamnem como partículas positivas, nem comopartículas negativas.

Embora as fôrças elétricas entre partículassejam enormemente mais intensas do que asfôrças gravitacionais, quando dois objetoscomuns descarregados são colocados perto umdo outro, não se observa qualquer fôrça elé-trica entre êles, Este fato não significa quedevemos abandonar a idéia de que existempartículas elétricas positivas e negativas na

( ") As palavras positivo e negativo são usadas porqueas fôrças exercidas' por dois objetos com cargas nega-tiva e positiva respectivamente, sôbre um terceiro, secancelam.

matéria. Como partículas de cargas opostasexercem fôrças de sentidos opostos sôbre urnaterceira partícula, concluímos que as fôrçasexercidas pelos dois tipos de partículas podemse cancelar. Quando os efeitos das partículaspositivas e negativas se cancelam exatamente,dizemos que o objeto está descarregado oueletricamente neutro. Podemos inclusive repre-sentar desta maneira um átomo neutro. o

Se adicionamos algumas partículas positivasa um corpo eletricamente neutro, desapareceo equilíbrio. O efeito das partículas positi-vas sobrepuja o das partículas negativas, edizemos que o objeto está carregado positi-vamente. Podemos também carregar positiva-mente um objeto removendo algumas daspartículas negativas e deixando, portanto, umexcesso de cargas positivas (do mesmo modo,podemos tornar negativo um corpo neutro,adicionando partículas negativas ou removendopartículas positivas).

Vimos, que, se friccionamos um bastão devidro com seda, êle se torna positivo. Comopode isto acontecer? Podemos pensar em duaspossibilidades: Talvez haja uma transferênciade partículas positivas da seda para o bastãoou, talvez, uma transferência de cargas nega-tivas do bastão para a seda. Nos dois casos aseda deve tornar-se eletricamente negativa eo vidro, positivo. Podemos verificar esta con-clusão aproximando a seda do bastão devidro supenso. Verificamos que o bastão éatraído pela seda. Por outro lado, a sedarepele um bastão plástico caregado negati-vamente.

27 - 3. Isolantes e Condutores

E comum classificarmos os vários materiaisdizendo que alguns são condutores elétricos eoutros isolantes. Esta classificação baseia-seem experiências como as que discutiremos aseguir. Suponha que suspendemos por umalinha de seda uma esfera pequena e leverecoberta de metal. A seguir, apoiamos uma

( ") Se cada pequeno volume de um corpo Iôrneutro, a fôrça resultante exercida por tôdas as par-tículas dêsse volume sôbre qualquer outra situada foradêle é nula. Contudo, um corpo pode ser neutro,em média e, assim mesmo, exibir concentrações locaisde carga. Neste caso, uma partícula elétrica próximade uma dessas concentrações ficará sujeita a fôrças,

ALGUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ 11

uma barra metálica horizontalmente sôbre umsuporte de vidro ou de plástico, de modo queuma das extremidades da barra toque apequena bola (Fig. 27-3). A seguir eletriza-mos um bastão de vidro e, com êle, esfrega-mos a outra extremidade da barra metálica.Verificamos que a bolinha se afasta da barra.Repetimos a experiência, substituindo a barra

(a)

{c}

27-3 - Em (a) a esfera e a barra metálicas estãodescarregadas. O bastão carregado está distante. (b)O bastão carregado toca a barra metá ãca e dela retiraalgumas cargas negativas. A barra e a esfera metáltcastêm agora cargas postttvas e se repelem. (c) Afastan-do-se o bastão carregado, a esfera e a barra metálicaspermanecem carregadas e continuam a se repelir.

metálica por uma de plástico; a pequenaesfera não se move (Fig. 27-4). Verificamos,então, que a barra metálica e o bastão plás-tico exibem comportamentos diferentes.

Para explicar esta diferença necessitamosapenas supor que, num metal, algumas partí-culas elétricas têm liberdade de movimento,enquanto que, no plástico, as partículas nãotêm essa liberdade. Suponha, por exemplo,que as partículas livres no metal sejam nega-tivas. Quando o vidro, carregado positiva-mente, toca a barra metálica neutra, algumasdas partículas livres da barra e da bola sãoatrai das para o vidro e, portanto, a bola ea barra metálica ficam carregadas positiva-mente e se repelem. Mesmo depois de afas-tarmos a barra de vidro, haverá uma deficiên-cia de partículas negativas na barra e nabola e elas continuarão a se repelir.

Podemos supor, também, que as partículaslivres sejam positivas. Se for êsse o caso,

12 ALGUNS FATOS SÔBRE O OOMPORTAMENTO DA LUZ

27-4 (a)

27-4 (c)

quando tocamos a barra metálica com ovidro eletrizado, partículas positivas passamdo vidro para o metal e se espalham até abola. A barra e a bola ficam ambas positiva-mente carregadas e se repelem.

27-4 (b)

27-4 (d)

27-4 - (a) Uma barra metálica, apoiada sõbre umbequer está em contato com uma bolinha leve revestidade metal. (b) Tocamos a extremidade da barra metá-lica com um bastão carregado; a bola, na outra ponta,é repelida. (c) Depois que o bastão carregado é remo-vido, a barra metálica continua a repelir a bola. (d)Repetimos a experiência com uma barra plástica. nolugar da de metal. A bola permanece imóvel.

Tentemos agora imaginar o que acontecequando substituimos a barra metálica pelabarra plástica. No plástico, nem as partículaspositivas, nem as negativas têm liberdade demovimento. Assim sendo, somente a parte

da barra plástica que está em contato diretocom o vidro carregado adquire um excessode partículas positivas. O resto da barrapermanece neutro, o mesmo acontecendo coma pequena esfera. Conseqüentemente, ne-nhuma fôrça afastará a bola da extremidadeda barra.

Substâncias que se comportam como o metalneste tipo de experiência são denominadascondutores. Aquelas que se comportam comoo plástico são denominadas isolantes. Todosos condutores contêm partículas elétricas quese movem livremente, e os isolantes não.

No fim dêste capítulo aprederemos comose determina o sinal das partículas livres nasdiferentes espécies de condutores. Verifica-remos que, quando os líquidos e gases con-duzem eletricidade, tanto as cargas positivasquanto as negativas se movem. Nos metais,contudo, a condutividade é devida unicamenteao movimento das partículas negativas. Paraabreviar a discussão, nas próximas seções fare-mos a suposição de que somente as partículasnegativas podem se deslocar.

27 - 4. Algumas Experiências com oEletroscópio.

O eletroscópio é um instrumento para reve-lar a presença de cargas elétricas. A versãomais simples dêste instrumento é o antigoeletroscópio de fôlhas de ouro. Consiste deduas lâminas de ouro, muito finas, suspensasa uma barra metálica e encerradas em umrecipiente de vidro (Fig. 27-5). Explicaremos,agora, como funciona.

Se tocarmos, com um pedaço de plásticocarregado, a pequena esfera metálica situadana extremidade superior da barra metálica,as lâminas de ouro se afastam. Que aconteceu?Partículas eletricamente negativas passaram doplástico para a barra metálica e se espalharamimediatamente até as fôlhas de ouro. Asfôlhas se repelem porque ficaram ambas nega-tivas~ Como são muito leves, uma pequenacarga é suficiente para causar um afastamentoperceptível (as fôlhas se afastariam tambémse usássemos um bastão de vidro friccionadocom seda em vez do bastão de plástico; nestecaso, porém, as fôlhas de ouro ficariam ele-trizadas positivamente).

ALGUNS FATOS SÔBRE O OOMPORTAMENTO DA LUZ 13

27-5 - Eletroscópio de fôlhas de ouro. As fôlhas estão-afastadas porque estão carregadas.

Carregue um eletroscópio e toque o seu ter-minal com uma esfera carregada, sustentadapor um bastão isolante (Fig. 27-6). As fôlhasse aproximam um pouco porque retiramos·alguma carga. A carga é dividida entre Ü'

eletroscópio e a bola. Faça a mesma experiên-cia COmuma bola maior. As fôlhas de ouro se:aproximam muito mais, porque a esfera maiortoma uma porção maior de carga. O mesmoacontece se ligarmos o eletroscópio a uma,grande esfera por intermédio de um fio metá-lico. Uma parte da carga percorre o fio con-dutor até a grande esfera. Se utilisarmos umaesfera extremamente grande, pràtícamentetôda a carga passará para ela e o eletroscópíoficará com tão pouca carga, que as fôlhas se'juntarão completamente. Podemos usar amaior esfera possível, a própria Terra. Quan'do ligamos um eletroscópio à Terra, pràtica-mente tôda a carga se escoa - o que fica no


27-6 - (a) Eletrosc6pio carregado; as fôlhas repelem--se fortemente. (b) Tocamos o terminal do eletrosc6piocom uma esfera prêsa a. um cabo isolante. A cargaestá agora dividida entre a esfera e o eletroscõpío eas fôlhas de ouro aproximam-se consideràvelmente.

eltroscópio é tão pouco que não. pode ser per-cebido. Este processo de dividir a carga elé-trica com a Terra é, em geral, indicado pelaexpressão "ligar à terra"."

Apesar de você não ser tão grande quantoa Terra, também pode funcionar como umaesfera condutora. Se carregar um eletroscópíoe depois tocá-lo com o dedo, as fôlhas sejuntam. Se, inicialmente, existe um excesso departículas negativas no eletroscópio, algumasdelas passam para o seu corpo.Pode acontecertambém que, através do seu corpo, elas passempara a Terra. Entretanto, mesmo que seussapatos sejam isolantes, as fôlhas do electros-cópio se juntam. Neste caso, a carga estarádividida entre você e o eletroscópio.

Se o eletroscópio estiver carregado positiva-mente, você também o descarregará tocando-o.Algumas partículas negativas passam de vocêpara o eletroscópio, neutralizando as cargaspositivas que estavam nas fôlhas. Nos doiscasos, essas experiências nos permitem concluirque o corpo humano é um condutor elétrico.

Podemos verificar que outras substâncias sãocondutoras. Por exemplo, suponha que carre-gamos o eletroscópio novamente e tocamosseu terminal com um bastão de grafite, comoa carga de um lapis (Fig. 27-7). As fôlhas se

( ") A terra tem regiões não condutoras - a areiados desertos, algumas rochas, etc. - mas abaixo dosolo há um material suficientemente bom condutor, demodo que a carga é ràpidamente distribuida por tôdaa Terra. Usa-se freqüentemente um cano metálicodo sistema de distribuição de água para garantir aligação à região condutora subterrânea.

27-7 - Quando você toca o terminal de um eletrosci'lpiocarregado com um bastão de grafite, as fOlhas apro-ximam-se completamente. Tanto você quanto a grafitesão condutores.

juntam imediatamente, revelando que a gra-fite é condutora. Por outro lado, as fôlhas deum eletroscópio carregado não se movem setocarmos o terminal com um pedaço de vidro,borracha, ebonite, porcelana ou plástico quenão estejam eletrizados. Essas substâncias sãoisolantes elétricos. Se tocarmos a esfera comum palito de fósforo, as fôlhas de ouro sejuntam, porém muito lentamente. Aparente-mente, na madeira algumas partículas elétricaspodem mover-se, porém não tão livrementecomo nos metais; a madeira oferece uma "resis-tência" muito maior ao movimento ~~partí-cuIas elétricas do que os metais":

27 - 5. Indução Eletrostática.

Não necessitamos tocar um condutor paramovimentar cargas sôbre êle, Suponha quetemos dois cilindros metálicos apoiados sôbresuportes isolantes. Nós os colocamos em con-tato, de modo que formem um único condutorlongo, como mostram as figuras 27-8 e 27-9.Aproximamos, então, um bastão de vidro comcarga positiva de uma das extremidades docondutor. A carga positiva do bastão de vidroatrairá cargas negativas no condutor e repe-lirá cargas positivas. Como resultado, a extre-midade do condtuor próxima do bastão devidro fica com excesso de partículas negativase a extremidade mais distante, com excesso departículas positivas. Depois separamos os doiscilindros metálicos empurrando os suportes iso-lantes, mantendo ainda a barra de vidro posi-tiva perto do condutor. O cilindro próximodeverá exibir uma carga negativa e o outro,


'27-8 - Indução eletrostática. (a) Duas barras metáIlcas-estã.o em contato; um corpo carregado positivamente-está perto. Parttculas negativas são atraldas para a-dlreíta, deixando cargas positivas à esquerda. (b) As

uma carga positiva. Podemos verificar estainferência, retirando o bastão de vidro dasproximidades, e aproximando uma pequenaesfera carregada positivamente e suspensa porum fio. Vemos que o cilindro próximo atraia bolinha carregada positivamente, e que ooutro a repele.

A separação de cargas positivas e negativasem um condutor, induzida pela presença, nasproximidades, de um corpo eletrizado, deno-

barras são separadas mantendo-se o corpo carregadopróximo. A da direita tem carga negativa e a daesquerda, posrtíva, (c) As barras retém as suas cargas,mesmo quando o objeto carregado é afastado.

mina-se indução eletrostática. Os excessoslocais de cargas negativas e positivas que seacumulam em diferentes regiões do condutor,são denominados cargas induzidas.

A indução eletrostática nos permite usar umeletroscópio para detectar a presença de car-gas elétricas sem transferi-las para o eletros-cópia. De fato, desta maneira, podemos atémesmo determinar o sinal da carga. Para fazeristo, primeiro carregamos o eletroscópio, diga-

27-9 - Indução eletrostática. (a) Barras metálicas emcontato e carga positiva nas proximidades. (b) Asbarras são separadas. (c) Testamos a carga de cadabarra com uma bolinha dotada de carga positiva. Abarra à esquerda a repele - tem carga positiva. O dadireita a atrai - tem carga negativa.


(a)

(b)

27-10 - Usando um eletroscõpío para detectar cargasli determinar seu sinal. (a) Aproximamos uma cargapositiva de um eletroscõpío carregado positivamente. Asfôlhas de ouro divergem mais. (b) Um corpo carregadonegativamente é gradualmente aproximado de umeletroscópio com carga positiva. Cargas negativas são

mos, positivamente. Depois aproximamos a car-ga desconhecida. Se for positiva, induzirácargas negativas no terminal do eletroseópíoe, assim, aumentará a carga positiva nas fôlhase as fôlhas se afastarão ainda mais. [Fig. 27-10(a) ]. Se, por outro lado, a carga desconhecidafor negativa, a indução agirá de maneira jus-tamente oposta. A carga positiva total nasfôlhas decrescerá e as fôlhas se aproximarão.[Fig. 27-10 (b)].

A indução eletrostática também nos per·mite compreender a fôrça de atração exer-cida por um corpo eletrizado sôbre umcondutor neutro. Suponha que o corpo ele-trizado A está com carga positiva (Fig.27-11). Ele induzirá cargas negativas na partemais próxima do condutor e cargas positivas,na parte mais distante. A carga negativainduzida é atraída para as cargas positivasde A, e a carga positiva induzida é repelida.Contudo, a repulsão é mais fraca que a atra-ção porque as cargas positivas acham-se maisdistantes de A do que as negativas. O resul-tado é que há uma fôrça resultante sôbre ocondutor que o puxa na direção de A.

Há uma fôrça de atração semelhante a essa,porém menos intensa, entre um material iso-lante neutro e uma carga próxima. Num iso-lante, nem as partículas positivas, nem asnegativas podem afastar-se livremente de seusátomos. Podem, entretanto, ser ligeiramentedeslocadas. Podemos, por exemplo, imaginar

repelidas para as fôlhas do eletroscópio que se aproxI-mam uma da outra. Finalmente, se uma carga negativamuito grande se aproxima muito, tantas cargas nega-tivas são empurradas para as fôlhas que estas ficamcom um saldo de cargas negativas e as fôlhas divergemnovamente.

A + + + )++ + .

27-11 - Atração de um condutor neutro. Quando umcondutor neutro está nas proximidades de um corpocarregado positivamente, par ttculas elétricas negativassão atraldas para o lado próximo ao corpo positivo.Cargas positivas ficam em excesso no outro lado docondutor. Como a carga negativa induzida está maíapróxima do corpo positivo, observa-se uma rõrca resul-tante de atração.

um isolante constituido de partículas positivas.fixadas de tal modo que permanecem em suasposições, e de cargas negativas que são man-tidas próximas às positivas por fôrças do tipodas que as molas exercem. Essas fôrças impe-dem que as partículas negativas se desloquemde grandes distâncias. Mas, quando aproxi-mamos do isolante um objeto carregado posítivamente, as partículas negativas são atraídas.Conseqüentemente, deslocam-se de uma curtadistância, afastando-se das cargas posítívas,na direção do corpo que as atrai. (Fig.27-12).Como as partículas negativas estão um poucomais próximas do corpo positivo que as suasparceiras positivas, a fôrça de atração sôbreelas é um pouco mais intensa do que a repul-

27-12 - Atração de um isolante neutro. Um corpocarregado positivamente está próximo de um isolanteneutro. Não há cargas llvres para se movimentarem noisolante, mas as par-tículas positivas e negativas decada molécula podem afastar-se um pouco de suasposíções, As partículas negativas ficam, assim, maispróximas da carga positiva externa e temos, de nôvo,uma fôrça resultante atrativa. Note que, na realidade,as moléculas são extremamente pequenas, bem como ascargas elétricas. As proporções nesse desenho não sãorealistas.

são exercida sôbre as partículas positivas. Há,então, uma fôrça resultante atrativa entre oisolante e o corpo carregado positivamente.

27 - 6. Eletroscópios Aperfeiçoados eEletrômetros

Quando as fôlhas de ouro de um eletroscó-pio estão encerradas em um frasco de vidro,como na figura 27-5, o eletroscópio é sensívela quaisquer cargas que estejam nas proximi-dades. Tais cargas exercem fôrças sôbre asfôlhas diretamente, quando as fôlhas estãocarregadas, ou por indução eletrostática. Para

luva isolante

nenhumamodificaçãoaqui quandoA é removido +r~L----T""J'"

+

27-13 - Quando um corpo carregado é trazido paraas proximidades de um eletroscóplo blindado, cargassão induzidas na blindagem. Dentro da caixa, as fôrçasdevidas Ali cargas Induzidas cancelam exatamente osefeitos das cargas exteriores. Tente a experiência.


27-14 - Um eletroscóplo simples blindado por umacaixa metálica (lata de conserva ou leite em pó). Oelemento senstvel é constítutdo por um canudinho derefresco recoberto de metal, suspenso por um alfineteque passa por dois furos de um suporte.

muitas finalidades, contudo, gostaríamos queo eletroscópio reagisse somente às cargas colo-cadas nas fôlhas, ou situadas perto do terminal.

Podemos eliminar efeitos elétricos nãodesejados, se substiuirmos a garrafa de vidropor uma caixa metálica e usarmos uma luvaisolante para manter a caixa e as fôlhas elê-tricamente separadas (Fig. 27-13). Suponhaque aproximamos um corpo A, carregadopositivamente de um eletroscópio com caixametálica. A carga de A, induz cargas negativasna região próxima e cargas positivas na regiãooposta da caixa metálica. Verificamos experi-mentalmente que, se o eletroscópio está com-pletamente envolvido por uma blindagemmetálica, as fôlhas são completamente ísensí-veis à ausência ou à presença de cargas dolado de fora. As cargas induzidas exercemfôrças sôbre as fôlhas e, aparentemente, essa.•fôrças são exatamente equilibradas pelas fôr-ças exercidas pelas cargas positivas de A. Umeletroscópio blindado é, portanto, um instru-mento de muito mais confiança que o modêlogrosseiro feito com um frasco de vidro, poisé insensível a influências elétricas externas quenão interessem. Você pode construir um ele-troscópio blindado como o da figura 27-14.

As vêzes desejamos detectar cargas menoresdo que as que produzem deflexões nas fôlhasde um eletroscópio de tipo comum. Modífí-


isolante escalaem vidro

metjlico

(a)

27-15 _ Eletrosc6pios ~enslveiR. (a) Esquema de umdoslmetro de radiação, cuja alta sensibilidade decorredo fato de ser a "haste" feita com uma fibra con-

(b)

dutora muito pequena e leve. (b) A "haste" de umeletrômetro de quaàrante. Uma agulha muito leve, sus-pensa na cavidade existente dentro dos quatro qua-drantes, de modo a formar uma balança de torsão,Uma bateria carrega inicialmente a agulha e a cargaa ser medida é colocada nos quadrantes. As cargas sãodistribuldas de tal maneira que uma pequena cargapode produzir uma deflexão muito grande. (c) Um

cando O arranjo, fazendo de fio muito levee condutor a parte móvel, alterando a estru-tura da barra condutora e reduzindo as dimen-sões, podemos construir eltroscópios bem maissensíveis. Todos êsses instrumentos têm umacaixa metálica para blindagem e um elementosensível que desempenha o papel da barracondutora e das fôlhas do nosso modêlo sim-ples. Chamaremos a êsse elemento sensível,qualquer que seja êle, de haste do eletroscópio.Com uma haste bem projetada e uma boacaixa de blindagem, podemos medir cargascêrca de mil vêzes menores do que as detec-tadas por um eletroscópio comum de fôlhasde ouro.

Eletroscópíos sensíveis são, atualmente, bas-tante comuns (Fig. 27-15). Os dosímetros deradiação, usados para verificar se alguémficou exposto à radiação, são, na realidade,eletroscópios sensíveis. Dispõem de umaescala, de modo que podemos fazer medidasquantitativas pela posição do fio que substitui

(c)

eletrômetro de quadrante completo (de S.G. Starlinge A.J. Woodall, "ELECTRICITY AND MAGNETISM",Longmans, Green & Co., New York).

as fôlhas do nosso instrumento simples (umeletroscópio com escala é, geralmente, deno-minado eletrâmetro ). Quando o dosímetroestá carregado, o fio se desloca na escala.Mais carga desloca-o mais ainda e a descargafaz com que se mova em sentido oposto.

Ao projetar um eletrômetro, usamos o efeitode blindagem da caixa metálica. A observa-ção de que uma blindagem metálica separa ouniverso elétrico em duas partes na verdadepermite mais do que construir um instrumentomelhor. O cancelamento observado dos efeitoselétricos de uma carga situada fora da blinda-gem, nos dá informação a respeito das fôrçaselétricas. Com raciocínio cuidadoso, pode-semostrar que o cancelamento completo só podeocorrer quando as fôrças variam com o inversodo quadrado da distância (""). A experiência

( ") Não faremos aqui esta demonstração. Umexemplo do fato é apresentado no filme do PSSC sôbrea lei de Coulomb. Uma discussão r••lacionada com oassunto é dada, no quadro da Seção 28-3.

27-16 - Carreg-ando um eletrosc6plo com baterias. Astrês baterias "B ", necessárias para produzir esta de-flexão, são equivalentes a 180 pilhas de lanterna, emIIérie. O efeito de uma llnlca pilha de lanterna nãoseria detectá vel.

de Coulomb, que discutiremos no próximocapítulo, mostra diretamente que as fôrçaselétricas são dêsse tipo.

27 - 7. Baterias.

Esfregar objetos (como um bastão de plás-tico e um pano de lã) não é a única maneirade separar partículas eletricamente positivase negativas. As baterias (e outros geradoreselétricos) são, na realidade, máquinas deseparar cargas elétricas.

Um bom eletroscópío de fôlhas de ourodetectará a separação de cargas produzidapor um número suficiente de baterias (Fig.27-16). Duas baterias (disponíveis em lojasde material de rádio) carregam um dosíme-tro do tipo defesa civil, fazendo o fio indi-cador percorrer tôda a escala.

A carga que uma bateria coloca em umeletrômetro é do mesmo tipo que a cargade uma barra de vidro friccionada ou dequalquer outro corpo eletrizado. Quando oterminal positivo da bateria é ligado à extre-midade da haste do eletrômetro e o terminalnegativo, à caixa de blindagem, a haste adquirea mesma carga que obtemos friccionandovidro, isto é, carga positiva. Quando se invertea ligação, a haste adquire carga negativa:essas cargas negativas podem ser canceladaspor uma pequena fração da carga positivaobtida quando se fricciona o vidro com panode seda.

ALGUNS FATOS SÔBRE o COMPORTAMENTO DA LUZ 19

27-17 - Um eletrosc6plo ligado a uma bateria permanececarregado mesmo quando a haste e a blindagem estãoligados por um fio de alta resistência. Como êsse fioé fino e precisa ser multo longo. está enrolado formandouma bobina circular. Desligando-se a bateria. o eletros-cõpío se descarrega.

Portanto, a bateria é um mecanismo quí-mico complicado que acumula cargas positivasno terminal positivo e cargas negativas noterminal negativo, apesar das fôrças elétricasde atração que tendem a reunir essas cargas.Quando a bateria é ligada à caixa de metal eà haste do eletrômetro, a caixa e a haste ficamcom cargas opostas. As cargas acumulam-seràpidamente até que, após um tempo muitocurto, as fôrças elétricas, que empurram ascargas de volta para dentro da bateria com-pensam as fôrças geradas pela ação químicada bateria.

27 - 8. Correntes Elétricas.

Como acabamos de ver, podemos carregarum eletrômetro ligando momentâneamente ahaste e a blindagem aos terminais de umabateria. Quando desligamos a bateria, o ele-trômetro permanece carregado. Mas se, aseguir, ligamos entre si a haste e a caixade blindagem por meio de um fio metá-lico, o eletrômetro descarrega-se ràpidamente.As partículas elétricas devem ter-se movímen-tado pelo fio entre a haste e a caixa de blínda-gemo Admitiremos que são as partículas nega-tivas que fazem isso.

Agora, suponha que deixamos a bateriapermanentemente ligada ao eletrômetro. Seligarmos a haste à caixa por um fio que nãoseja muito bom condutor (Fig. 27-17), o ele-

2(} ALGUNS FATOS SÔBRE O COMPORTAMENTO DA LUZ

trômetro permanece parcialmente carregado. oUm fluxo contínuo de partículas elétricas per-corre o fio. A medida que essas partículasnegativas alcançam o terminal positivo da ba-teria, elas cancelam algumas da cargas posi-tivas que alí estão e, ao mesmo tempo,diminui a quantidade de carga negativa noterminal negativo da bateria. Esta, por outrolado, contiua suprindo de cargas os terminais.~eações químicas forçam as partículas nega-tivas a se deslocarem pela parte interna dabateria, do terminal positivo para o negativo(ou cargas positivas na direção oposta). Avelocidade com a qual a bateria movimentaessas cargas é controlada pela velocidade comque as cargas, fora da bateria, passam pelofio e se cancelam.

~ fluxo de partículas elétricas em um con-dutor é denominado corrente elétrica. Em par-ticular, o fluxo contínuo, forçado pela bateria,é denominado corrente constante. As corren-tes elétricas produzem vários efeitos. Porexemplo, um fio metálico, quando percorridopor corrente suficientemente intensa, se aquece.Podemos construir instrumentos para detectarêsses efeitos e, assim, medir correntes elétri-cas. Nas próximas seções e no Capítulo 29,discutiremos mais detalhadamente a correnteelétrica e sua medida.

27 - 9. Condutividade dos Gases. Ionização.

Carreguemos um eletroscópio ligando suahast~ ao termi~al positivo e a blindagem aoterminal negativo de uma bateria. O eletros-cópio, naturalmente, está cheio de ar. O queaconteceria se algumas das moléculas de arfossem eletricamente positivas e outras nega-tivas? As moléculas positivas seriam atraídaspela caixa e as negativas pela haste. A che-gada das moléculas negativas neutralizaria oexcesso de partículas positivas presentes nahaste, e o eletroscópio se descarregaria paula-tinamente (Fig. 27-18).

Entretanto, isto não acontece. Em geral oeletroscópio permanece carregado por longotempo. O gás é um isolante eficaz. Isto síz-nifica que as moléculas do ar são eletric~-mente neutras. Se enchermos o eletroscópio

(~~ Um fio longo e bem fino de liga de níquel-cromoiervlra.

27-18 - Se o ar contiver parUculas elétricas positivas enegativas, a carga do eletroscópio será rApidamenteperdida. Normalmente Isto não ocorre. Mas o ar podeser ionizado.

com outros gases, como dióxido de carbono,hélio, argônio, etc., obteremos sempre o mes-mo resultado, mesmo quando os gases utiliza-dos forem monoatômicos. Assim, moléculascompletas, inclusive as que são constituidaspor um único átomo, são eletricamente neutras.

Mas, se aproximarmos do eletroscópio car-regado algum material radioativo, ou fizermosincidir sôbre êle um feixe de raios X, êle sedescarregará gradualmente. E mais, se remo-vermos o material radioativo ou desligarmos osraios X antes que o eletroscópio tenha per-dido tôda a carga, o processo de descarga seráinterrompido.

Podemos interpretar êsses resultados supondoque os raio X ou as radiações que emanam domaterial radioativo partem as moléculas dogás em fragmentos dotados de carga elétrica.Alguns dêsses fragmentos podem ser idênticosàs partículas fundamentais que constituem amatéria e sôbre os quais já falamos. Outrospodem ser constituidos por várias dessas par-tículas. Outros podem ser formados por umfragmento carregado ligado a uma moléculaneutra, formando, assim, uma unidade carre-gada mais pesada. Esses fragmentos mole-culares, ou essas unidades mais complexas,dotados de carga são denominados íons, e diz-se que um gás que os contém está ionizado.

Enquanto um gás comum é isolante, umgás ionizado comporta-se como condutor. Umobjeto dotado de carga positiva, imerso em umgás ionizado, atrai os íons negativos; um objetocarregado negativamente, atrai os íons posi-tivos. Em ambos os casos, os íons, ao entrarem contato com o objeto, gradualmente neu-tralizam a carga inicial.

Podemos fazer muitas experiências paramostrar que a condutividade de um gás resultada ionização. Por exemplo, podemos mostrarque a descarga de um eletroscópio exposto aum feixe de raio X não é devida a um efeitodireto dos raios X sôbre a haste. A experiên-cia ilustrada na Fig. 27-19 mostra que os raiosX estão agindo sôbre o gás. Nesta experiência,bombeamos o ar para dentro do eletroscópioatravés de um tubo, parte do qual receberadiação. Carregamos o eletroscópio, e come-çamos a bombear o ar. Ligamos, então, osraios X. O eletroscópio se descarrega porqueos íons formados pelos raios X são levados aoeletroscópio pelo ar em movimento. Com oaparelho de raios X em funcionamento, desli-gamos a bomba, os íons formados não chegammais ao eletroscópío e a descarga gradual doeletroscópio cessa.

No comêço desta seção dissemos que osgases são, em geral, bons isolantes. Poderíamoster dito que, na ausência de radiação ionizante,são isolantes perfeitos. :É fato, entretanto,que existe sempre uma pequena quantidadede radiação em qualquer ambiente, Muitosmateriais que nos cercam contêm traços dimi-nutos de substâncias radioativas. Mesmo quepossamos eliminar a radiação dos materiaisque nos cercam, os raios cósmicos sempre pro-duzirão alguns íons. Mesmo blindagens muitoexpêssas, feitas com materiais livres de radia-ção, constituem uma proteção incompleta con-tra essas radiações penetrantes que têm origemfora da nossa atmosfera. Portanto, os gasesestão sempre pelo menos fracamente ionizadose, por êsse motivo, são sempre condutores.Esta condutividade, entretanto, é tão pequena

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27-19 - Os raios X ionizam o ar "111 A. Quando êstear com os Ions chega ao elet roscópto, as fôlhas seaprox íma m.


que só pode ser detectada com instrumentosmuito delicados.

27 - 10. A Câmara de Neblina.·

,.

As figuras 1-6 e 7-17 mostram os rastrosvisíveis produzidos por partículas que semovem ràpidamente no líquido quase em ebu-lição da câmara de bôlhas e em emulsõesfotográficas. Na realidade, somente partículasrápidas carregadas produzem êsses rastros,Cada rastro é o efeito indireto das fôrçaselétricas exercidas pela partícula carregadasôbre os átomos da emulsão ou do líquido.

Uma câmara de neblina também nos per-mite "ver" as trajetórias das partículas eletri-zadas nos gases (Fig. 27-20). As partículasdeixam uma trilha de íons positivos e nega-tivos, e o funcionamento da câmara de neblinabaseia-se no fato observado de que os vapô-res se condensam mais fàcilmente em tôrnodêsses Íons.

Um tipo de câmara de neblina (a câmarade expansão) consiste de uma caixa de vidrocom uma parede móvel (Fig. 27-21). Contémuma mistura de um vapor, como o de álcool, ede um gás, como o ar ou argônio. O vapor,que é normalmente líquido à temperaturaambiente, condensa-se com facilidade. Se,repentinamente, puxamos a parede móvel, o~gases se expandem e sua temperatura cai; seesta queda de temperatura fôr suficiente, for-ma-se um nevoeiro que enche tôda a câmara.Se a queda de temperatura não fôr muitogrande, entretanto, o vapor se condensa ape-nas em tôrno dos íons. Conseqüentemente, seuma partícula carregada atravessa a câmarano momento da expansão, a trilha dos íonsformados se transformará num rastro visível degotículas de vapor condensado.

Existe um outro tipo de câmara de neblina,chamado câmara de difusão, que pode ser for-mada por uma caixa cilíndrica rasa, cujo fundoé mantido frio enquanto que a parte de cima,transparente, fica a uma temperatura umpouco mais elevada. (Fig. 27-22). Revestindopor dentro a parede da câmara, coloca-se umpano ou mataborrão ensopado em álcool. Este

(") N. do T. - "Câmara de neblina", expressãoque utilizamos para traduzir "cloud chamber", é cenhe-cida, no Brasil, como "câmara de Wílson". '

.22 ALGUNS FATOS SÔllRE O COMPORTAMENTO DA LUZ

27-20 - Fotografia de uma câmara de neblina (câmarade Wilson) mostrando as trajetórias das partrcuras alfaem uma atmosfera de hélio. (De P. 111.S. Blackett, em"Proceedings of the Roya l Society" 107A, 349, 1925).

mistura degás e vapor

parede deborracha

217·21 - Uma câmara de neblina do tipo de expansão.Quando a parede de borracha ê bruscamente puxadapara tora, o vapor na câmara resfria-se e formam-segOta~ em tõrno dos tons,

se evapora continuamente, e condensá-se nofundo frio da câmara. Pouco acima do fundohá uma região onde o álcool não se condensaespontâneamente mas, se' ali houver íons, con-densar-se-á em volta dêles. Quando uma par-tícula carregada atravessa esta região, suatrajet6ria torna-se visível. Esta câmara é de

lo) (b)transparente

tubo de

cobre ~==t=±==~~refrigerante

27-22 - Uma eãmara de neblina, do tipo de difusão.(a) A câmara ê uma caixa de plástico com tampatransparente: revestindo a parede, perto da tampa, háum tecido grosso embebido em álcool. No fundo dacaixa há uma chapa de cobre pintada de negro e, sol-dada a ela, um tubo de cobre Imerso numa misturarefrigerante. Quando a câmara está sendo usada, otubo de cobre mergulha numa garrafa térmica quecontém uma mistura de gêlo sêco e álcool. Rastrosdevidos a raios cósmicos são observados ocasionalmente.Para ver mais trajetórias, coloque na câmara umafonte radioativa fraca, como o material com que sefazem os números dos relógios luminosos.

construção barata e funciona continuamente.Com ela podemos observar a passagem oca-sional de uma partícula cósmica carregada.Colocando-se nessa câmara uma pequena por-ção de material radioativo, podemos observaras trajetórias dos fragmentos emitidos em con-seqüência das desintegrações radiativas (Fig.27-23) .

27 - 11. A Condutividade das Soluções.

Alguns líquidos conduzem a eletricidade;outros são isolantes. O comportamento da águae das soluções aquosas é particularmente inte-ressante. Para estudá-lo experimentalmente,usaremos a montagem indicada na Fig. 27-24.Ligamos em série uma placa metálica, um me-didor de corrente elétrica, uma bateria e umasegunda placa metálica. Introduzimos, então,as placas metálicas (denominadas eletrodos)em um copo com água.

[-

27-23 - Trajet6rias de partlculas alfa na câmara dedIfusão.

Se a água é pura, o medidor não indicacorrente alguma. Como as moléculas nos líqui-dos podem mover-se livremente, a ausência decorrente demonstra que as moléculas estãoeletricamente neutras.

Quando dissolvemos sal de cozinha na água,o medidor indica corrente no circuito. O mes-mo acontece COm muitos outros compostosquímicos, como ácido clorídrico, ácido sulfú-rico, sulfato de cobre, cloreto de potássio,etc. Podemos explicar a condutividade dessassoluções, supondo que o sal de cozinha (ouqualquer outra substância dissolvida) se desdo-

27-24 - Aparelho para estudar a condução elétrica nosltquídos. Quando se dissolve sal na é.lfUa, o medidor

AtGlJ~S FATOS SÔIlTIE O CO}'[POTITA:\IENTO DA LUZ 2.'3

bra em fragmentos positivos e negativos quechamaremos também íons positivos e negati-vos. Esta explicação é muito semelhante àexplicação da condução elétrica nos gases.Nos líquidos, contudo, não é necessário ne-nhum agente ionizante externo. Os íons pare··cem formar-se por um desdobramento espon-tâneo da substância dissolvida.

Obtemos provas convincentes para nossaexplicação da condutividade elétrica das solu-ções, observando o que acontece nos eletrodos.Se temos um sal de cobre (por exemplo, sul-fato de cobre) dissolvido na água, verificamosque, quando passa corrente, o eletrodo nega-tivo vai sendo gradualmente recoberto poruma camada de cobre. Se usamos soluçãode um sal de prata (nitrato de prata, porexemplo), verificamos que o eletrodo nega-tivo fica coberto por uma camada de prata.Isto sugere que, quando o sulfato de cobreou o nitrato de prata se desdobra na solução,os átomos do metal são transportados pelosíons positivos. O movimento dêsses Íons nacorrente elétrica resulta num transporte obser-vável de matéria.

O fenômeno descrito acima é conhecidocomo eletrolise. f: comumente usado em gal-vanoplastia e em muitos outros processosindustriais, como a refinação do cobre, a pro-dução de gás hidrogênio e a obtenção do alu-mínio. Na Seção 29-4 veremos como se usa aeletrólise para medir cm"'entes elétricas.

27 - 12. Os Eléctrons nos Metais.

Os metais são o tipo mais comum de con-dutores. Que partículas movem-se dentro dêles,

Indica passagem de corrente. A carga é transportadaatravés da solução por fons positivos e negativos.

111.1-11

[I,JIIII

24 ALCUNS FATOS SÔBlU: () C():'\n'()RTA~IE"T() DA LUZ

tornando-os condutores? São essas partículaspositivas, negativas, ou dos dois tipos? Nãoexiste uma experiência simples capaz de res-ponder a esta pergunta de maneira decisiva,como no caso dos gases e líquidos. Contudo,há um fato observado que nos dá uma pistasugestiva; êste fato juntamente com outrasevidências circunstanciais nos fornecem umaresposta.

E natural pensar que as partículas elétrica.nos metais estão em estado de agitação tér-mica permanente como as moléculas de umgás (veja os Capítulos 9 e 26). Entretan;to, aexperiência mostra que um pedaço de metaleletricamente carregado conserva sua cargaindefinidamente. Isto significa que as partí-culas elétricas não podem, em condições nor-mais, escapar do metal. Concluímos que.quando estão próximas à superfície metálica,ficam sujeitas a fôrças que as atraem para ometal, impedindo-as de escapar. ,

Suponha agora que aquecemos o metal. Àmedida que a temperatura aumenta, a velo-cidade das partículas cresce, do mesmo modoque a velocidade das moléculas de um gás.A temperaturas suficientemente altas, umafração apreciável das partículas deverá tervelocidade suficiente para escapar. Da mesmamaneira que foguentes que tenham velocidadesuficiente para escapar à atração gravitacionalda Terra, estas partículas dotadas de altavelocidade, não devem retomar ao metal. J!.'.de se esperar que elas ultrapassem a distânciadentro da qual as fôrças atrativas exercemsua ação.

Com o aparelho ilustrado na Fig. 27-25,podemos fazer experiências para verificar o

27-25 - Aparelho para invest's'ar a condução elétricanos metais. A corrente elétrica da bateria "A" aqueceo filamento. Podemos elevar a temperatura do filamentodiminuindo a resistência do circuito da bateria "A".

(lU e se passa quando aquecemos um metal.A parte essencial dêsse equipamento é umcilindro metálico ÔCO, com um filamento muitofino esticado ao longo de seu eixo. O fila-mento e o cilindro estão encerrados em umrecipiente de vidro, dentro do qual se faz umbom vácuo. O filamento deve ser ligado a umabateria (indicada pela letra "A", na figura).responsável pela corrente que o aquece. Li-gamos também o filamento, através de ummedidor de corrente, ao terminal negativo dabateria "B", cujo terminal positivo está ligadoao cilindro.

Quando o filamento está à temperaturaambiente, não há corrente no circuito dabateria "B". Mas, se elevarmos gradualmente atemperatura do filamento, o medidor final-mente registrará uma corrente, indicando quepartículas elétricas passam pelo espaço vazioentre o filamento e o cilindro. Se elevarmosainda mais a temperatura do filamento, indodo vermelho alaranjado ao branco, a correntecrescerá muito ràpidamente.

Repetimos a experiência invertendo as liga-ções com a bateria "B", de modo que o cilin-dro fique negativo e o filamento, positivo.Neste caso, o medidor não indica corrente.mesmo quando o filamento é aquecido aobranco.

Que significam êsses resultados? Suponha.primeiro, que o filamento como que "evapore"partículas negativas. Quando o filamento estánegativo e o cilindro positivo, essas partículassão repelidas pelo filamento e atraídas pelocilindro. Portanto elas viajam do filamentopara o cilindro; daí passam, através do. fiocondutor, para o terminal positivo da bateria

o medidor de corren te ligado à. ba teria "B l' mo strnquando pn ssam cargas através do espaço entre o fila-ment o e o cilindro.

fio de ~igação envólucrode vidro

med idor de corrente

A~~!~t--,cilindro metálico

A B

e, do terminal negativo, outra vez através dofio, para o filamento aquecido. Assim, a emis-são de partículas negativas pelo filamento,efetivamente preenche o hiato entre o fila-mento e o cilindro, de modo que uma cor-rente constante é observada no circuito.

Suponha, por outro lado, que o filamentoemite partículas positivas. Elas saltariam docilindro para o filamento quando o filamentoestivesse positivo e o cilindro negativo. Obser-varíamos, então, uma corrente, no circuito dabateria "B". O fato de não haver correntequando o filamento está positivo prova que ofilamento não emite partículas positivas. Con-cluimos que tôdas as partículas elétricas "eva-poradas" de um metal aquecido são negativas.

Somos naturalmente levados a crer que aspartículas emitidas no vácuo são as mesmasque se movimentam dentro do metal. Essaspartículas são denominadas eléctrons. A emis-são de eléctrons pelos metais é conhecida comoemissão termoiônica. Outras experiências indi-cam que os elétrons são os mesmos em todosos metais. Na experiência descrita acima, po-demos fazer o filamento e o cilindro demetais diferentes, por exemplo, tungstênio eníquel. Fazemos circular a corrente termoíôní-ca, por bastante tempo (a uma temperaturaem que os átomos de tungstênio não se eva-poram fàcilmente). Não encontramos no cilin-dro nem vestígio do metal que constitui ofilamento por mais longo que tenha sido otempo durante o qual os eléctrons circularam.Não ocorre mudança alguma na composiçãodo cilindro ou do filamento. Os eléctrons quesaem do tungstênio devem ser, portanto, idên-ticos aos elétrons já existentes no níquel.

Concluimos, finalmente, que os eléctronsdevem ser algumas das partículas fundamen-tais de que são constituidos todos os metais e,na verdade, todos os átomos. A justeza destaconclusão está fora de dúvida, atualmente. Elase tornará mais evidente ainda nos próximoscapítulos.

27 - 13. Diodos, Canhões Eletrônicos e Osciló-grafos de Raios Catódicos.

A emissão termoiônica tem muitas aplica-ções práticas. Uma das mais importantes são

2


as válvulas eletrônicas. O aparelho que utiliza-mos para demonstrar a emissão termoiônica éum tipo simples de válvula, conhecida comodiodo (Fig. 27-26) na linguagem técnica derádio. O fio aquecido que emite os eléctronsé denominado catodo e o eletrodo que recebeos eléctrons é denominado placa. Num diodo,os eléctrons se deslocam sempre do catodopara a placa, nunca na direção oposta. Pode,portanto, ser usado como uma válvula (ou"retificador" ou "detector") para transformaruma corrente que percorre um cicuito oranum sentido ora noutro, em corrente que fluiintermitentemente mas num único sentido.

27-26 - Fotografia de um diodo comercial. O tubometálico branco, no centro, é aquecido internamente eemite eléctrons. Quando está carregado negativamentee o cilindro externo é positivo, os elêctrons atravessamo espaço entre êles.

Podemos também usar um diodo para fazerum canhão eletrônico fazendo um furo naplaca (veja Fig. 27-27). Embora a maioriados eléctrons emitidos pelo filamento quenteatinjam a placa, aquêles que se movem nadireção do furo passam por êle e continuamaté encontrar a parede do tubo. Se a parede


estiver recoberta com tinta fluorescente, umamancha brilhante aparece na região atingidapelos eléctrons.

27-27 - O diodo simples pode ser convertido em umcanhão de eléctrons fazendo-se um furo no cUindro etornando-se mais comprido o envoltório de vidro. Umadas extremidades do tubo é recoberta por uma subs-tância fluorescente que se torna brilhante no lugar emque o feixe de eléctrons incide.

Com mais uma pequena modificação, o tuboque descrevemos toma-se um oscilógrafo deraios catódicos. Colocamos dentro do tuboduas placas horizontais, de modo que o feixede eléotrons passe entre êles (Fíg, 27-28).

pJacas deflectoras ponto brilhante

"~o

~ '-pOSlçaodo pontobrilhantequando não hácarga nasplacasdeflectoras

27-28 - O canhão de eléctrons pode servir como ele-trômetro, se colocarmos um par de placas horizontaÜldiante do furo. Se, por exemplo, colocarmos cargo.positiva na placa superior e negativa na Inferior, ofeixe de eléctrons será desviado paro. címa, O desloca-mento do. mancha brilhante em relação à posição cen-traI, serve como medida da carga que está sôbre asplacas.

Se uma das placas tem carga positiva ea outra, carga negativa, os eléctrons sedesviam verticalmente no sentido da placapositiva e o feixe atinge o anteparo fluores-cente em outro ponto. Mesmo uma pilha delanterna ligada às placas deflectoras, produzum desvio apreciável da mancha brilhante.Portanto, podemos usar o oscilógrafo comoum eletrômetro. Se o associarmos a um ampli-ficador dêsses utilizados em rádio, teremosum instrumento muito mais sensível do queos eletrômetros descritos até aqui.

Além da sensibilidade, o oscilógrafo de raioscatódicos tem uma propriedade ainda maisútil: a rapidez de sua resposta. Devido à mas-sa de suas partes móveis, o eletrômetro comumleva um tempo apreciável para atingir a posi-ção de equilíbrio depois de carregado. Oseléctrons, entretanto, têm massa extremamentepequena, incomparàvelmente menor que qual-quer peça mecânica. Por isso a deflexão deum feixe de eléctrons ocorre quase ínstantâ-neamente. Assim, o oscilógrafo de raios cató-dicos é capaz de acompanhar variações muitorápidas de carga, o que os eletrômetros comunsnão podem realizar.

Com o oscilógrafo de raios catódicos, pode-mos mesmo estudar variações muito rápidasde carga. Para esta finalidade equipamos oinstrumento com um segundo par de placasmontadas para produzir deflexão horizontal(Fig. 27-29). Um circuito de varredura, car-rega pouco a pouco o par de placas, descar-rega-as repetidamente e recomeça o processo.

ç deflectores horizontaisligados ao circuitode varredura

deflectores verticais ligadosà fonte de carga variávelque desejamos medir

27-2,9- Um oscllógrafo tem um segundo par de placaspara dar uma. deflexão horizontal 0.0 feixe de eléctrons.Carregando-se essas placas, provoca-se um deslocamentohorizontal da mancha luminosa.

Enquanto essas placas estão sendo carregadas,a mancha fluorescente produzida pelo feixede eléctrons se desloca horizontalmente noanteparo com velocidade constante. Na descar-ga, volta ràpidamente ao ponto inicial. Aomesmo tempo, o primeiro par de placas produzuma deflexão vertical correspondente a suascargas. Como resultado das duas deflexõesaplicadas simultâneamente, a mancha fluores-cente traça uma curva que nos dá uma visãográfica da maneira como varia, com o tempo,a carga nas placas verticais (Fig. 27-30).

O oscil6grafo de raios cat6dicos tem muitasaplicações. Os tubos de televisão e de radarsão tipos especiais de tubos de raios cat6dicos.As imagens são produzidas pela deflexãohorizontal e vertical de um feixe de eléctronse pela variação da intensidade do feixe, demodo a fazer cada pequena região do ante-paro brilhar com uma intensidade que depen-de dos sinais que vêm da câmara de televisão.

PARA CASA, CLASSE E LABORATóRIO

1. Suponha que você eletrizou uma barrade plástico friccionando-a com lã.a) Você espera que a lã tenha ficado

carregada?b) Como tiraria a prova?

2. Quando se enche o tanque de gasolinade um avião, a embocadura metálicada mangueira é sempre ligada cuidado-samente, por meio de um fio, tambémmetálico, à estrutura metálica do avião,antes de ser introduzida no tanque. Porque se segue esta rotina? Descreva comoela cumpre sua finalidade.

S. a) Ao tocar um objeto metálico, como amaçaneta de uma porta, em um diasêco de inverno, sente-se, às vêzes,um choque, acompanhado por umafaisca. Geralmente explicamos o fatodizendo que acumulamos uma cargaestática. Como determinaria você osinal dessa carga? Por que isto nãoacontece em um dia úmido de verão?

b) Se você acumula uma carga estáticae toca o batente de madeira de uma


27-30 - Fotografia de um traço na tela de um osci-lógrafo. Enquanto o circuito de varredura movimentouo feixe da esquerda para a direita, uma bateria car-regou ràpidamente duas placas metálicas ligadas àsplacas de deflexão vertical do tubo. Um instante maistarde, as placas foram descarregadas lentamente,através de um fio de alta resistência elétrica.

porta, não observa faísca nem choquemesmo num dia sêco. Por que?

c) As vêzes, se você toca primeiro obatente de madeira e depois a maça-neta metálica, não se produzem faís-cas nem você sente choque, mesmoque você tenha carga acumulada.Sugira uma explicação.

4. a) Por que você não pode eletrizar umabarra metálica segurando-a com asmãos?

b) Que faria você para eletrizar umabarra metálica?

5. Trabalho para casa: Carregue um cabidede plástico e suspenda-o por um fiofino.a) Descubra se a carga é positiva ou

negativa.b) Que acontece quando você aproxima

do cabide o seu dedo?c) Como explica o resultado obtido em

(b)?6. a)· Descreva os passos que você seguiria

para carregar positivamente um ele-trosc6pio, por indução.


b) Por meio de esquemas, descreva omovimento das partículas elétricasnegativas durante o processo de carga.

7. Alinhe três blocos metálicos sôbre umamesa de plástico em contacto uns comos outros e coloque dois objetos comfortes cargas positivas, um de cada ladodos blocos, muito próximo, sem entre-tanto tocá-los. Em seguida, com umabarra isolante (descarregada), separe osblocos metálicos, mantendo os objetoscarregados em suas respectivas posições.Finalmente, retire êstes últimos.a) Que carga existe agora em cada

bloco?b) Explique como os blocos adquiriram

estas cargas, descrevendo o movi-mento das partículas negativas.

8. Trabalho para casa: Você pode cons-truir um dispositivo chamado eletróforo.Para isso necessita de ,um discovelho de vitrola e uma placa metálicaum pouco menor do que o disco. Prendaum cabo isolante em ângulo reto coma placa. Uma pequena lata de conservacom uma vela grudada pode servir.

Carregue o disco de vitrola esfregan-do-o com lã. Coloque a latinha sôbre odisco e ligue-a à terra tocando-a por uminstante com o dedo. Em seguida, sus-penda a latinha e utilize-a para carregarum eletroscópio. Que carga possui a lati-nha? Para carregá-la novamente vocêprecisaria carregar de novo o eletróforo?

9. Antes da invenção do telégrafo magné-tico, muitos métodos foram propostospara enviar sinais a grandes distânciaspor meio de fios, usando a repulsão oua atração eletrostática. Sugira um dis-positivo simples para êsse tipo de comu-nicação.

10. Trabalho para casa: Realize uma expe-riência para verificar se fita adesivadescarrega um eletroscópio. Se encontraralgum sinal de condução, reduza àmetade a largura da tira e repita aexperiência. Tente também com um com-primento duplo.

11. Trabalho para casa:a) Carrregue um eletroscópio e aproxime

de seu terminal um fósforo aceso.

Que observa? Observa alguma dife-rença no caso de estar o eletroscópiocarregado positiva ou negativamente?

b) Mantenha o fósforo suficientementeafastado para que o eletroscópio nãose descarregue. Que acontece se vocêsopra o ar quente suavemente emdireção ao terminal do eletroscópio?Como explica você êste resultado? Éa descarga um efeito direto do aque-cimento do terminal, ou o aqueci-mento tornou o ar condutor?

12. Sabemos que a carga elétrica flui atravésde certas soluções, como a de sulfato decobre em água. Neste caso forma-se umdepósito de cobre no eletrodo negativo.Lembre-se da explicação dada na Seção27-11 e pense como se poderia utili-lizar êste processo para medir correnteelétrica. Esteja preparado para discutirsuas idéias em classe.

13. Na Seção 27-13, descreve-se um tiposimples de válvula eletrônica chamadadiodo. Um triodo é um dispositivo seme-lhante mas possui um outro cilindro, feitode tela metálica, chamado grade, colo-cado entre o filamento e a placa [Fig.27-31 (a)]. Suponha, em primeiro lugar,que a grade está ligada à terra de modoque permanece descarregada. Depois,ligamos uma bateria [Fig. 27-31 (b)] detal maneira que a grade se carrega neg-tivamente. Compare as correntes no cir-cuito da bateria "B", nestes dois casos.

14. Suponha que temos um grande númerode partículas idênticas. Duas quaisquerdelas, quando separadas pela distânciade 10 em, repelem-se com a fôrça de3 X 10-10 newtons.a) Se uma delas está a 10 em de um

grupo de n outras, com que fôrçavocê espera que ela seja repelida?

b) Suponha que você mede a repulsão eencontra 6 X 10-6 newtons; quantaspartículas havia no grupo?

15. Suponha que temos um grande númerode partículas elétricas positivas e neg;:!-tivas, exatamente iguais (exceto quantoao sinal). Isto significa que duas quais-quer delas se atraem ou se repelemmutuamente, dependendo apenas de seus


(b]

(a) para "terra"

27-31 - Para o Problema 13..sinais, mas a intensidade da fôrça ésempre a mesma, desde que a distân-cia entre elas seja a mesma. Por exemplo,a fôrça entre duas delas é de 3 X 10-10

newtons quando a distância é 10 cm.Uma partícula positiva está a 10 em

de um grupo que contém P partículaspositivas e M partículas negativas.a) Com que fôrça será repelida? Supo-

nha que não seja possível contar ao;

partículas mas, medindo-se a fôrça,verifica-se que ela vale 6 X 10-6

newtons. Por êste resultado, o quese pode afirmar a respeito de P e M?

16. Imaginamos que a Terra possui umapequena carga elétrica. Como se podeverificar isso?

17. Na seguinte experiência ocorrem deslo-camentos de cargas elétricas. Um con-dutor cilíndrico horizontal A (Fig. 27-32)

27-:3:! - Para o Problerna 17.

A

B

30 ALGlJNS FATOS SÔBRE O OOMPORTAMENTO DA LUZ

está apoiado sôbre uma base isolante N.Uma esfera condutora 13, suspensa porum fio isolante, possui uma carga nega-tiva interna. A está descarregado.( 1) B é trazido para perto de A(2) Liga-se então A, por meio de um

fio, a um enorme objeto condutorsituado fora do laboratório (porexemplo, uma árvore úmida).

(3) Retira-se o fio condutor.(4) Leva-se B para longe.(5) Toca-se de novo A com o fio con-

dutor.(a) Suponha que somente partículas

negativas podem se mover noscondutores (e nem as positivasnem as negativas nos isolantes)e diga que cargas se movem,e onde, em cada uma das eta-pas da experiência descrita.

(b) Agora suponha que os condu-tores são feitos de um materialespecial (existem alguns) emque só as partículas positivaspodem se mover. Explique tudode novo em todos os detalhes.

(c) Por último, imagine que, no"condutores, tanto as partículaspositivas quanto as negativa,>possam se mover (isto acon-teceria se os condutores fossemblocos de material isolanterevestidos com salmoura). Ex-plique tudo de novo, em deta-lhe.

LEITURA COMPLEMENTAR

FURRY, W. H., PuRCELL, E. M., STREET, J. C.Physics for Science and Engineering StudentsBlakiston, 1952 (Cap. 22).

GILBERT, N. E. - Eletricity and Magnetism. Ter-ceira edição, Macmillan, 1950.

SKILLING, HUGH H. - Exploring Eletricity. RonaldPress, 1948.

STEINBACH, H. B. - "Animal Eletricity" - ScientificAmerican, Fevereiro, 1950.

TAYLOR, L. LoYD - Physics, the Pioneer Science.Dover, 1959 (Cap. 40). .

WILSON, MITCHELL - American Science and lnven-tion. Simon & Schuster, 1954 (Franklin: pags.16-23 ).

ilguns fatos qualitativos sÔbre a … alguns fatos sÔbre o comportamento da luz xime-o do...

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