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PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

IntroduçãoHistórica

sábiogrego Tales deMileto (640-546 AC) ob-

servou que um pedaço de âmbar(substância resinosa, amarela efossilizada) atritado com um pa-no atraia corpos de massa pe-quena; essa atração não seriagravitacional uma vez que o âm-bar só atraia quando atritado. Fi-cava, desde então, evidenciada apresença de forças muito maisintensas.

Até os dias de WilliamGilbert (1540-1603), não se faziadistinção entre magnetização eeletrização. Gilbert fazendo ex-periências verificou que muitasoutras substâncias apresentavamtal propriedade e todos os fenô-menos relacionados foram cha-mados de elétricos (âmbar emgrego é elektron).

Carga e ForçaElétrica

o século XVIII,o físico francêsCharles Fran-çois Du Fay

(1698-1739) publicou um traba-lho acerca da existência de doistipos de eletricidade: Vitrosa, chamada assim por-que é a carga que adquire umabarra de vidro depois de atritadacom seda. Resinosa, que é a carga daborracha quando atritada com lã.

Posteriormente, o físicoamericano Benjamin Franklin(1706-1790), sem conhecer ostrabalhos de Du Fay, atribuiu osnomes de positiva e negativa aosdois tipos de eletricidade.

Até o século XIX seconsiderava que as forças elétri-cas eram fenômenos particularesque não tinham relação com oresto dos fenômenos físicos. Emnossos dias se considera que aforça elétrica é uma das quatroforças chamadas fundamentais;as outras são a gravidade e asforças nucleares, forte e fraca.1

A força elétrica provemda presença de cargas elétricas;estas podem ser de dois tipos,positivas ou negativas. A cargaelétrica é uma propriedade fun-damental da matéria como amassa e o volume.

O conceito de carga elé-trica, ainda que um pouco abstra-to, é tão importante que não sepode deixar de mencionar-se nadescrição do mundo físico. Noprincípio, dito conceito físico erasomente um artifício inventadopara descrever uma situação, po-rém depois adquiriu realidade aodescobrir-se as unidades naturaisde carga. Na atualidade se per-cebe que as unidades de cargacomo o elétron, o pósitron, opróton e diversos mésons real-mente existem e são entidadesfundamentais com relação ao es-

1Força nuclear forte é a força que man-

tém unido o núcleo de um átomo. Afetaas partículas do núcleo: nêutrons, pró-tons e mésons.Força nuclear fraca é a força que se ma-nifesta nos núcleos de átomos instáveiscom mais de 89 prótons através de emis-sões alfa e beta.

tudo das propriedades da maté-ria.

Quando duas cargaselétricas interagem, a direção dasforças é dada pela Lei de DuFay: cargas de sinais iguais serepelem e cargas de sinais dife-rentes se atraem.

A unidade para medir acarga no SI é o coulomb (C), emhomenagem ao físico francêsCharles Augustin de Coulomb(1736-1806), quem descobriu arelação que existe entre a forçaelétrica e as cargas elétricas.

A carga do elétron é i-gual, em módulo, a carga do pró-ton e vale , aproximadamente,1,6x10-19C.2

Processos deEletrização

s átomos e amatéria em es-tado naturaltêm cargas po-

sitivas e negativas e porque nosátomos há o mesmo número deprótons e elétrons, o átomo é ele-tricamente neutro.

Para alterar tal situação,ou seja, para eletrizar um corpo,é necessário fazer um certo tra-balho ou esforço. Dizemos queum corpo esta eletrizado ou car-regado quando o número de pró-tons é diferente do número de e-létrons.

2O valor 1,6x10-19 C é chamado carga

elementar e é representado por “e”.Diz-se que a carga elétrica é uma gran-deza quantizada, pois é sempre múltiplade uma quantidade mínima, no caso “e”.

O

N

O

2

Para eletrizar um corpoé necessário retirar ou acres-centar elétrons em um corpo.

Experimentalmente, ve-rifica-se que os elétrons loca-lizados nas últimas camadas ele-trônicas de certos átomos podemser facilmente deslocados de su-as posições e ainda transferidospara outros átomos.

A maior ou menor difi-culdade encontrada em mo-vimentar os elétrons dentro deum material determina se essematerial é um condutor de elé-trons ou um Isolante.3

As principais formaspara um corpo perder ou ganharelétrons são:1. Por Atrito

Quando ocorre a fricçãoentre dois corpos neutros de nature-zas diferentes, pode surgir um fluxode elétrons de um corpo para outro.

A medida que um corpoperde elétrons, este vai apresen-tando uma predominância decargas elementares positivas e-quivalente a quantidade de elé-trons perdida, enquanto que ooutro recebe elétrons ficandocom uma quantidade de cargaselementares negativas em exces-so.Conclusão

3Condutor: nos materiais con-

dutores sólidos, os elétrons são facilmen-te deslocados de suas posições, e rece-bem o nome de elétrons livres. Os elé-trons livres ficam na superfície externa(veremos a seguir).

Ex.: metaisIsolante: nos materiais isolan-

tes, os elétrons apresentam forte ligaçãocom o núcleo, tornando difícil deslocá-los, ao longo do material.

As substâncias isolantes nãopossuem elétrons livres, e toda carga emexcesso permanece estacionária no localonde foi depositada.

Ex.: plástico, borracha, porce-lana, vidro, etc.

Existem materiais, como o Gee o Si que são denominados semicondu-tores, porque o grau de dificuldade emdeslocar os elétrons das últimas camadasé intermediário entre os condutores e osisolantes.

“Eletrizam-se com si-nais contrários e com mesmaquantidade de carga.”

Veja as figuras a seguir:

2. Por ContatoColocando-se em conta-

to dois condutores, (A) eletriza-do e (B) neutro, verifica-se queB se eletriza com carga de sinaligual ao de (A) Aos conduto-res A e B aplica-se o princípioda conservação das cargas elétri-cas: antes e após o contato, acarga total deve ser a mesma.

A figura ilustra a eletri-zação por contato:

Há um caso particularque merece destaque: é aqueleem que os condutores são esféri-cos e de mesmo raio. Nesse caso,o excesso de carga elétrica sedistribui igualmente pelas duassuperfícies esféricas.

Deve-se sempre obser-var o princípio da conservaçãodas cargas elétricas, ou seja, aquantidade de cargas no finaldeve ser a mesma que no início.

3. Por InduçãoNeste processo nos uti-

lizaremos de dois corpos (A) e(B), ambos de materiais condu-tores, por exemplo: duas esferasde cobre. Um deles (A) deveráestar eletrizado e o outro (B),neutro.

Suponhamos, por exem-plo, que o corpo (A) esteja ele-trizado negativamente. Vamoschamá-lo de indutor.

a) Com os corpos (A) e (B) afas-tados um do outro, temos:

INDUTOR INDUZIDO

3

b)Se aproximarmos o indutor doinduzido ocorre a polarizaçãopor indução.

c) Se ligarmos o induzido (B) àTerra, observaremos um escoa-mento de elétrons de (B) para aTerra.

d) Ainda, na presença do indu-tor, desfazemos a ligação com aTerra.

e) Agora, afastamos o indutor eas cargas do induzido distri-buem-se uniformemente pela su-perfície.

Observações:

1. Eletroscópiosão aparelhos queservem para de-terminar se umcorpo está eletri-

camente carregado ou não.Os principais tipos de

eletroscópios são:a) Pêndulo elétrico

Constitui-se de umahaste (suporte), um fio de seda(isolante) e uma bolinha leve, re-coberta de material condutor

(papel de alumínio, por exem-plo).

Se aproximarmos doPêndulo um corpo neutro, elenão se move, pois não há intera-ção entre cargas elétricas.

Se, no entanto, aproxi-marmos do pêndulo um corpocarregado, haverá uma polariza-ção na bola do pêndulo e umaconseqüente atração entre osdois.

Se houver contato entreum corpo carregado e a bolinha,ambos ficarão carregados comcargas de mesmo sinal e passa-rão a se repelir.

b) Eletroscópio de folhasO eletroscópio de fo-

lhas é mais sensível que o pên-dulo elétrico. Veja o esquema deum deles:

Se aproximarmos dotopo de um eletroscópio de fo-

lhas um corpo neutro, as folhasnão se moverão.

Entretanto, se aproxi-marmos do topo do eletroscópioum corpo carregado, haverá apolarização das cargas do ele-troscópio: o topo ficará carre-gado com carga de sinal dife-rente do que as folhas. Isso vaiprovocar a repulsão entre as fo-lhas, pois ambas ficam carre-gadas com cargas de mesma na-tureza.

2. Distribuição das cargas elé-tricas em excesso num condu-tor isolado em equilíbrio ele-trostático.

m condutor iso-lado encontra-se em equilí-brio eletrostáti-

co quando não há movimento or-denado de cargas elétricas no seuinterior e na superfície. Seus elé-trons livres encontram-se emmovimento aleatório.

Observemos que umcondutor isolado, em equilíbrioeletrostático, pode ou não estareletrizado.

As cargas elétricas emexcesso de um condutor são deum mesmo sinal: ou positivas ounegativas. Evidentemente, elasse repelem e, procurando a maiordistância entre si, vão para a su-perfície do condutor.

S

U

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Benjamin Franklin, se-gundo consta, foi o primeiro aobservar que as cargas elétricasem excesso de um cilindro me-tálico iam para a superfície ex-terna. Eletrizou um cilindro ocode prata e fez descer uma esferade cortiça pendurada num fio i-solante e notou que ela não eraatraída pelas paredes internas,como seria ao descer a esferajunto a sua parede externa. Opróprio Franklin não soube ex-plicar esse fato naquela ocasião(1775).

A esfera de cortiça não é atraída pelasparedes internas do cilindro eletrizado.

A esfera de cortiça é atraída pela paredeexterna do cilindro eletrizado.

O físico inglês MichaelFaraday (1791-1867) realizoudiversas experiências comproba-tórias da distribuição de cargaselétricas em excesso na superfí-cie externa no condutor isolado.Uma delas foi a da tela cônica.Trata-se de uma tela em formade cone, feita de linho, que é ummaterial que conduz relativa-mente bem a eletricidade. Eletri-zando a tela, Faraday notou, u-sando um pêndulo de cortiça,que não havia cargas elétricasem excesso no interior, mas ape-nas na superfície externa, e, vi-rando-a do avesso, repetiu o testecom o pêndulo. Novamente veri-ficou que as cargas em excessoestavam na superfície. Ao virar atela do avesso, as cargas em ex-

cesso deveriam permanecer nointerior dela, porém, repeliram-se e foram para a nova superfícieexterna.

Outro físico inglês, oDr. Henry Cavendish (1731-1810) também realizou uma ex-periência nesse campo, usandodois hemisférios metálicos, do-tados de cabos isolantes, que seadaptavam perfeitamente a umaesfera oca, metálica, montadasobre suporte isolante fixo. Ele-trizando a esfera metálica, adap-tava os hemisférios a ela. Ao se-pará-los, notava que a esfera es-tava neutra, enquanto que os he-misférios haviam recebido todasua carga.

Vejamos as figuras aseguir.

(antes)

(depois)

Um fato interessante detudo isso é quando consideramosum condutor A, eletrizado ounão. Ele apresenta as mesmaspropriedades: é nulo o campo e-létrico em seu interior4e as car-gas elétricas em excesso, se exis-tirem, distribuem-se pela super-fície. Se considerarmos um cor-po B, neutro, no interior de A,mesmo que A esteja eletrizado,B não sofre indução eletrostáti-ca.

Verifica-se que qual-quer que seja a situação elétricade A, nada acontecerá com B.

4 Posteriormente analisaremos em deta-lhes o conceito de campo elétrico.

Dizemos que o condutor A cons-titui uma blindagem eletrostáti-ca.

A

B

A carcaça metálica deum amplificador eletrônico, acarcaça metálica de um carro oude um ônibus são exemplos deblindagem eletrostática.

Michael Faraday reali-zou uma experiência com a fina-lidade de comprovar a blinda-gem eletrostática: construiu umagrande “gaiola” metálica, mon-tou-a sobre suportes isolantes eligou-a a um potente gerador ele-trostático.

Conforme suas própriaspalavras:

“Penetrei no interior dagaiola e ali permaneci sem ne-nhum dano. Usando velas acesas,eletrômeros e todos os demaisinstrumentos de verificação defenômenos elétricos, não percebia menor influência sobre eles ...embora durante todo o tempo oexterior dela estivesse altamentecarregado e grandes eflúvios elé-tricos saltassem de todos os pon-tos da superfície externa.”

Até hoje, usam-se gaio-las de Faraday como cabina deteste de pára-raios, transforma-dores e geradores eletrostáticosnas industrias.

3. O Poder das Pontas

m um condutoresférico carre-gado as cargasse distribuem

uniformemente na superfíciemas, se houverem protuberânciasou pontas, as cargas se concen-trarão em maior quantidade por

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área (densidade superficial) nes-sas regiões.

O campo elétrico nessasregiões é muito intenso e se forsuficientemente forte pode ioni-zar o meio envolta, possibilitan-do a emissão de elétrons se ocorpo estiver eletrizado negati-vamente.

Ao valor máximo da in-tensidade do campo elétrico queum isolante suporta sem se ioni-zar, dá-se o nome de rigidez die-létrica do isolante. Para o ar, elaé de 3.000.000 V/m.

Uma vez atingida a ri-gidez dielétrica do dielétrico, elese ioniza e torna-se condutor.Quando isto acontece com o die-létrico das vizinhanças da pontade um condutor, verifica-se quecargas do mesmo sinal que aponta são repelidas e de sinaiscontrários são atraídas. Eviden-temente, o condutor acaba sedescarregando pela ponta.

A construção de pára-raios com hastes metálicas ter-minadas em pontas fundamenta-se no poder das pontas.

Mais a frente analisa-remos com maiores detalhes aformação de raios na atmosferaterrestre.

4. Polarização de um Isolan-te(Dielétrico)

á dois tipos desubstâncias iso-lantes: aquelasque apresentam

moléculas polares e as que apre-sentam moléculas apolares.

Moléculas polares sãoaquelas que possuem um dipolopermanente. A água é um exem-plo. Nas moléculas apolares háuma distribuição simétrica decargas elétricas no seu interior.

Colocando-se na pre-sença de um campo elétrico umdielétrico de moléculas polares,os dipolos tendem a se orientarpelo campo elétrico.

Como as moléculas es-tão em constante agitação térmi-ca o alinhamento não é perfeito.Evidentemente, se abaixarmos atemperatura, conseguiremos ummelhor direcionamento das mo-léculas.

Mesmo que o dielétricofosse constituído de moléculasnão-polares a distribuição decargas elétricas no seu interiorseria modificada em presença docampo elétrico, por indução.

O campo elétrico tem atendência de separar as cargaselétricas positivas das negativasde um átomo ou molécula. O fe-nômeno é denominado polariza-ção do dielétrico e perdura en-quanto existir o campo elétricoexterno.

Exercícios de Fixação

1. Sabemos que a carga elétrica équantizada. Os seguintes enunci-ados deste fato são equivalentes?a) Existe uma carga elétrica mí-nima não nula (a unidade de car-ga mínima);b) Qualquer carga elétrica é ummúltiplo inteiro (positivo ou ne-gativo) de uma carga elétrica e-lementar;c) A carga elétrica não é umagrandeza contínua (considerandotodos os valores reais).

2. “Afirmar que a carga elétricade um sistema se conserva é a-firmar”:01. Que ela é invariante;02. Que a soma aritmética dascargas positivas e negativas pre-sentes no sistema é constante;04. Que a soma algébrica dascargas é constante;08. Que a soma das cargas posi-tivas e a soma das cargas negati-vas são constantes separadamen-te;16. Que as interações no sistemanão podem fazer variar a suacarga total.

A soma das alternativas corretasé ................... .

3. Podemos ler, em certas revis-tas de divulgação científica, queum buraco negro é um corpo tãodenso que tudo o que passa nu-ma certa vizinhança é absorvidopor ele e desaparece para sem-pre.

Se um elétron cair nesseburaco negro, a sua carga elétri-ca desaparecerá?

4. Quando da ligação de uma te-levisão, podemos verificar, du-rante alguns instantes, que a telaatrai corpos leves (folhas de pa-pel, pó, etc.).

A que podemos atribuiresse fenômeno e porque é eletransitório?

5. Por que quando o ar está úmi-do os fenômenos eletrostáticossão atenuados?

6. Dado que a “gaiola de Fara-day” protege os corpos que nelasão encerrados contra as influên-cias elétricas vindas do exterior,será que também protege os cor-pos exteriores contra as influên-cias vindas do interior? Por e-xemplo, se encerrarmos nelauma carga elétrica, poderá umobservador exterior detectar ocampo dessa cargaa) se a gaiola estiver isolada?b) se a gaiola estiver ligada aosolo?

7. As causas do “enjôo na es-trada” são por vezes atribuídas àeletricidade estática. Segundouma publicidade recente de um“dispositivo antiestático”: “Nu-merosas experiências comfir-mam que esta ‘poluição’ elétrica,tão nefasta quanto pérfida, se a-cumula rapidamente na carcaçado veículo e formam uma gaiolade Faraday [...] Somos todosmais ou menos inconscientemen-te incomodados, mesmo os con-dutores mais experientes.”

Vendem-se no comérciodispositivos de eliminação da e-letricidade estática, correntes ou

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fitas condutoras fixas ao carro earrastando pelo chão, ou mesmo(é o engenho elogiado pela refe-rida publicidade), “microemisso-res eletromagnéticos autônomose permanentes criando entre elespor sintonização uma grandebarreira de ondas ultracurtas ab-solutamente inultrapassável pelaeletricidade estática”.

O que você pensa da u-tilidade e eficácia destes disposi-tivos?

8. Num condutor sólido, os elé-trons movem-se livremente.

Então porque não caemno interior do condutor sob o e-feito do seu peso?

9. Um avião em vôo pode eletri-zar-se por fricção no ar e adqui-rir uma carga elétrica elevada.a) Por que este fenômeno é em-baraçoso?

Evita-se isto, em grandeparte, munindo a cauda do apare-lho com uma fina calha metálicaou com um pequeno comprimen-to de cabo.b) Como opera este dispositivo?

Exercícios de Vestibular

1. Três bolas metálicas podemser carregadas eletricamente.Observa-se que cada uma dastrês bolas atrai uma das outras,Três hipóteses são apresentadas:I) Apenas uma das bolas estácarregada.II) Duas das bolas estão carrega-das.III) As três bolas estão carrega-das.

O fenômeno pode serexplicado:(A)somente pelas hipóteses II ou

III;(B)somente pela hipótese I;(C)somente pela hipótese III;(D)somente pela hipótese II;(E) somente pelas hipóteses I ou

II.

2. Se um condutor eletrizado po-sitivamente for aproximado de

um condutor neutro, sem tocá-lo,podemos afirmar que o condutorneutro:(A) conserva sua carga total nu-

la, mas é atraído pelo eletri-zado.

(B)eletriza-se negativamente e éatraído pelo eletrizado.

(C)eletriza-se positivamente e érepelido pelo eletrizado.

(D)conserva a sua carga total nu-la e não é atraído pelo eletri-zado.

(E) fica com a metade da cargado eletrizado.

3. A figura representa duas esfe-ras eletrizadas negativamenteque se repelem, suspensas pordois fios isolantes. Observa-seque, com o tempo, o ângulo for-mado pelos fios tende a diminu-ir. Isto ocorre porque as esferas:

(A)perdem elétrons para o ar.(B)absorvem elétrons do ar.(C)perdem prótons para o ar.(D)absorvem prótons do ar.(E) trocam elétrons entre si.

4. Um corpo tem 2x1018 elétronse 4x1018 prótons. Dado que acarga elétrica de um elétron (oude um próton) vale, em módulo,1,6x10-19C, podemos afirmar queo corpo está carregado com umacarga elétrica de:(A)-0,32 C(B)0,32 C(C)0,64 C(D)-0,64 C(E) 2,00 C

5. Juliana penteia seu cabelo.Logo depois, verifica que o pen-te utilizado atrai pedaços de pa-pel. A explicação mais plausíveldeste fato é que:(A)o papel já estava eletrizado.(B)a atração gravitacional age

entre os dois corpos.(C)o pente se eletrizou.

(D)o pente é bom condutor elé-trico.

(E) n.d.a.

6. Três esferas de isopor, M, N eP, estão suspensas por fios iso-lantes. Quando se aproxima N deP, nota-se uma repulsão entre asesferas; Quando se aproxima Nde M, nota-se uma atração. Daspossibilidades apontadas na ta-bela baixo quais são as compatí-veis com as observações?

CARGAS

Possibilidades M N P

1ª + + -

2ª - - +

3ª zero - zero

4ª - + +

5ª + - -

(A)A 1ª e a 3ª(B)A 2ª e a 4ª(C)A 3ª e a 5ª(D)A 4ª e a 5ª(E) A 1ª e a 2ª

7. Dispõe-se de três esferas me-tálicas idênticas e isoladas umada outra. Duas delas A e B estãodescarregadas, enquanto a esferaC contém uma carga elétrica Q.Faz-se a esfera C tocar primeiroa esfera A e depois a esfera B.No final deste procedimento,qual a carga elétrica das esferasA, B e C respectivamente?(A)Q/2, Q/2 e nula(B)Q/4, Q/4 e Q/2(C)Q, nula e nula(D)Q/2, Q/4 e Q/4(E) Q/3, Q/3 e Q/3

8. Três esferas E1, E2 e E3, bemafastadas entre si, têm seus raiosna razão 1:3:5 e estão eletrizadascom cargas respectivamente i-guais a 3nC, 6nC e -18nC.

Supondo que as esferassejam ligadas entre si por fios decapacidade desprezível, as car-gas de E1, E2 e E3, após a liga-ção, serão respectivamente i-guais, em nC, a:(A)-1,-3,-5(B)-5,-3,-1

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(C)10,6,2(D)-2,-6,-10(E) 5,3,1

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