TÓPICO 01: CARGA ELÉTRICA

Veja as notícias publicadas nos Jornais O Povo, edição de 15/03/07 e TV

Canal 13, edição de 27/03/2008, sobre carga elétrica. Clique nos jornais

abaixo para ver as notícias:

VERSÃO TEXTUAL

JORNAL 1 – ACIDENTE DE TRABALHO MATA TRÊS PESSOAS EM CAUCAIA

Três trabalhadores morreram e três ficaram feridos ontem, em

consequência de um choque elétrico.

O acidente aconteceu na empresa Ancar Veiculos Especiais, em

Caucaia, Região Metropolitana de Fortaleza, enquanto os homens

estavam afastando um andaime de ferro, para proceder a pintura de

uma parede da fábrica. O andaime estava próximo a um poste de alta

tensão, de 13.800 volts, que fica no interior do imóvel. Eles não

perceberam a proximidade com os fios e, com o contato, os operários

foram vitimados pela corrente elétrica. O acidente ocorreu por volta

das 9 horas.

As seis vítimas foram socorridas pelas equipes só SOS Caucaia e

levadas para o Hospital Municipal. O coordenador do SOS, Edemir

Saraiva, diz que os feridos tiveram o quadro estabilizado e dois deles

foram transferidos. Um dos proprietários da empresa, Ângelo

Nicolleti, foi encaminhado para um hospital particular. O funcionário

Marcelo Cassimiro de Freitas foi enviado para o Instituto Doutor José

Frota (IJF), enquanto Manoel Domingos de Oliveira permaneceu no

Hospital de Caucaia. Os três sofreram queimaduras nos pés e nas

mãos.

Os Corpos de Francisco Djacir Pereira, 29, Paulo Ricardo de Lima

Moreira, 31, e Antônio Anderson Silva de Ávila, 19, até as 16 horas de

ontem, ainda permaneciam no hospital.

JORNAL 2 – BRASIL: RAIO ATINGE PROFESSOR NO MARANHÃO

O professor maranhense José Ferreira de Araújo, pegava carona

na rodovia MA - 127, em São João do Sóter (MA) quando foi atingido

pela descarga. Dos 50 milhões de raios que caem no Brasil, 70% se

concentram no verão.

Ficar em campos abertos como jardins, praias ou mesmo na rua

durante tempestades é um grande risco para a população.

"As dicas são as de sempre: se abrigar em lugar fechado, evitando

principalmente contato com aparelhos elétricos e falar ao telefone com

fio", afirma Pinto Júnior. Em menos de três meses as mortes

provocadas por raios no Brasil chegaram bem perto do mesmo

número registrado durante todo o ano de 2007. Até esta terça-feira,

FÍSICA III

AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB

25, as descargas atmosféricas tinham causado 45 mortes no País

contra 46 no ano passado, segundo o Grupo de Eletricidade

Atmosférica.

Essas notícias e muitas outras desse tipo, que você lê ou ouve no seu dia

a dia, são diretamente relacionadas à eletricidade. Mas espere um pouco, não

pense que a eletricidade é uma fonte de tragédias. Na verdade, sem ela a vida

seria muito difícil.

Você já imaginou alguma vez em sua vida, como seria o mundo sem

eletricidade? Não é possível imaginar uma coisa dessas não é? A eletricidade

nos cerca por todos os lados. Seria muito difícil viver em um mundo sem

lâmpadas elétricas, geladeiras, ferro elétrico, televisor, computador, enfim,

sem todos esses confortos da vida moderna que dependem diretamente da

eletricidade para poder funcionar.

OLHANDO DE PERTO

A eletricidade está envolvida em fenômenos muito mais importantes

do que o funcionamento de equipamentos elétricos. A eletricidade está na

origem e no desenvolvimento da própria vida.

A eletricidade está envolvida profundamente no processo de

fecundação do ser humano, na atividade do coração e do cérebro.

A ELETRICIDADE NA ORIGEM, DESENVOLVIMENTO E MELHORIA DE NOSSAVIDA

NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO

NA ATIVIDADE CEREBRAL

NA ATIVIDADE CARDÍACA

NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO

NO PROGRESSO DA MEDICINA

NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO

No processo de fecundação apenas um espermatozoide penetra o oócito

e neste exato momento, uma contra ordem elétrica é produzida na

membrana que se fecha, impedindo a entrada de qualquer outro. A entrada

do espermatozoide no oócito provoca uma reação cujo efeito é alterar as

características elétricas da membrana plasmática provocando sua

despolarização. Esse processo é muito rápido e impede, temporariamente,

que novos espermatozoides fundam a sua membrana com a do oócito.

Portanto, a Eletricidade é um dos processos responsáveis pela fecundação.

Para saber mais sobre esse assunto veja:

Como funciona a reprodução humana [2] (Craig C. Freudenrich, Ph.D.)

NA ATIVIDADE CEREBRAL

Agora mesmo, enquanto você estuda esta aula, as células do seu cérebro

estão trabalhando para que você consiga desempenhar a sua tarefa. A

atividade cerebral ainda não é completamente entendida, mas certamente

ela envolve uma atividade elétrica. Seja qual for a nossa atividade: o bater do

nosso coração, o movimento de um músculo, um piscar de olhos, o ato de

respirar, sempre acarretará a presença de uma corrente elétrica através dos

neurônios. A tensão elétrica decorrente dessa corrente equivale a mais ou

menos 5% da tensão produzida por uma pilha AAA. A medida da atividade

cerebral é feita através do eletroencefalograma (EEG) que mede a

propagação do estímulo nervoso no cérebro através de eletrodos colocados

na cabeça do paciente.

NA ATIVIDADE CARDÍACA

Para que o coração funcione, bombeando o sangue arterial para todo o

organismo, é necessário que as suas células sejam inicialmente ativadas por

um estímulo elétrico que comanda o funcionamento do coração. A atividade

elétrica gerada no coração é captada por meio de eletrodos colocados em

determinadas posições padronizadas no nosso corpo, considerando que o

corpo humano é um bom condutor de eletricidade. Esta atividade elétrica é

mostrada no eletrocardiograma que, assim, pode ser definido como o

registro gráfico da atividade elétrica do coração.

NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO

Se, por algum motivo o ritmo normal do coração for perturbado, o

coração deve ser assistido através do uso de um marcapasso artificial. O

marcapasso é um sistema de estimulação elétrica que consiste em um

gerador de pulsos e um eletrodo. O gerador de pulsos elétricos é um circuito

eletrônico miniaturizado e em uma bateria compacta. O marcapasso está

apto a reconhecer ou perceber a atividade cardíaca. Quando o marcapasso

não capta nenhuma pulsação natural, libera um impulso elétrico. Como

resultado, o músculo cardíaco contrai-se. O marcapasso é ligado ao coração

através de um ou dois eletrodos. O eletrodo é um fio condutor muito fino,

eletricamente isolado, que é colocado diretamente no lado direito do

coração. É através destes fios que os impulsos elétricos são transportados até

o coração. Para saber mais sobre este assunto veja, por exemplo:

Marcapasso Cardíaco - vamos conhecê-lo [3]

NO PROGRESSO DA MEDICINA

Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero – Uma Pesquisa

desenvolvida por cientistas da Universidade de Arkansas, nos Estados

Unidos, resultou em um teste cuja finalidade é medir os sinais elétricos do

cérebro de um feto. Essa pesquisa pode, um dia, ajudar os médicos a

proteger os bebês de lesões ocorridas ainda no útero de suas mães.

Para saber mais sobre esse assunto veja:

Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero [4]

OLHANDO DE PERTO

Como você pode ver, este é um assunto importante demais e você,

como futuro professor de Física, precisa conhecê-lo a fundo para que em

um futuro próximo possa mostrar aos seus alunos que a Eletricidade não é

um choque.

Mas o que é eletricidade? De onde ela vem?

CARGA ELÉTRICA

A origem da eletricidade é muito antiga. Sete séculos antes do

nascimento de Cristo, na Grécia, o filósofo Tales de Mileto [5] observou um

fenômeno curioso. Ao esfregar um pedaço de âmbar em um pedaço de lã, ele

notou que o âmbar adquiria a capacidade de atrair objetos leves como

pequenos pedaços de palha e fragmentos de madeira. A origem dessa atração

está ligada a uma propriedade da matéria chamada CARGA ELÉTRICA.

ÂMBAR

Um tipo de resina vegetal fóssil, de uma espécie de pinheiro já

desaparecida há milhões de anos, tem uma cor amarela

semitransparente e, por combustão, exala um aroma muito agradável.

Com o passar do tempo, a resina perdeu água e ar, e as substâncias

orgânicas que a constituíam sofreram o que os químicos chamam de

polimerização: a resina endureceu e se transformou naquilo que

conhecemos como âmbar.

Hoje podemos dizer que o âmbar adquiria uma carga elétrica, isto é,

tornava-se carregado.

DICA

A palavra eletricidade vem da palavra grega elektron que quer

dizer "âmbar".

OLHANDO DE PERTO

A carga elétrica, assim como a massa é uma propriedade intrínseca da

matéria.

OS DOIS TIPOS DE CARGAS ELÉTRICAS

Você não precisa voltar no tempo à época de Tales de Mileto para

observar os fenômenos da eletricidade. Em sua casa mesmo você poderá

fazer esta experiência muito simples:

Você só vai precisar de um pente de plástico, uma flanela e um pedaço

de papel cortado em pedaços bem pequenos.

Então, vamos começar?

1 - Esfregue rapidamente, várias vezes o pente na flanela.

2 - Segure o pente com dois dedos, evite tocá-lo diretamente com a

mão. Encoste o pente no papel, levante-o com cuidado e observe: alguns

pedaços ficam grudados no pente!

3 - Você também pode levantar seu cabelo (seco), aproximando o

pente da cabeça.

Outra experiência fácil de ser feita, para a qual você só precisa de:

- Um tubo de vidro (um tubo de ensaio, por exemplo);

- Um pedaço de seda ou lã;

Como fazer: Esfrega-se vigorosamente o pedaço de seda no tubo de

vidro, tomando o cuidado de fazê-lo sempre na mesma região.

Em seguida, separamos os dois (vidro e seda) e notamos que há entre

eles uma força de atração, em decorrência das cargas de sinais contrários

no vidro e na seda.

Fonte [6]

Se você aproximar o bastão de vidro depois de esfregado com a seda,

daquele pente da experiência anterior, verá que os dois, pente e bastão se

atraem, mas entre o pente e o pedaço de seda haverá uma repulsão.

Essas experiências e muitas outras semelhantes a elas mostram que

existem dois tipos de interação: repulsão e atração, o que nos conduz à

suposição que existem dois tipos de carga: um tipo de carga acumulado no

pente e outro tipo acumulado no bastão de vidro.

Como você sabe, antigamente não existia o plástico. Os pentes eram

feitos de resina, por exemplo.

Aos dois tipos de carga, deu-se o nome de "vítrea" para as que

aparecem no vidro e de "resinosa" para as da resina. Foi Benjamin Franklin

[7] (1706-1790) quem escolheu chamar a carga que surgiu no vidro de

positiva e no pente de negativa. Essa denominação é usada até hoje.

Para compreender a existência de tipos diferentes de cargas vamos dar

uma olhada na estrutura do átomo.

A ESTRUTURA DO ÁTOMO

Os átomos são formados por três tipos diferentes de partículas: os

prótons e os nêutrons que constituem o núcleo e os elétrons que circundam

o núcleo.

Fonte [8]

Os prótons têm carga positiva (+ e), os elétrons carga negativa (– e) e

os nêutrons, como o nome indica, não têm carga elétrica.

Um átomo é eletricamente neutro, isto é as cargas positivas têm o

mesmo valor que as cargas negativas dos elétrons. Quando um elétron

abandona o átomo, vencendo a força de atração do núcleo, o átomo que

perdeu uma carga negativa, fica carregado positivamente.

Se o elétron livre ligar-se a outro átomo, esse átomo agora

adquire uma carga total negativa.

Tanto a falta como o excesso de elétrons, deixam o átomo com um

desequilíbrio de carga. Os átomos que apresentam desequilíbrio de carga

se chamam íons.

Dos estudos de Millikan [9] e Thomson [10] ficou estabelecido que o

módulo da carga negativa do elétron é exatamente igual ao módulo da carga

positiva do próton.

DICA

De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são

mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três

partículas ainda menores. Para saber um pouco sobre assunto, acesse:

quarks [11].

Quando um corpo é eletrizado há um desequilíbrio entre suas cargas

elétricas causado, em geral, pela perda ou ganho de elétrons.

A carga nunca é criada nem destruída.

Os elétrons têm maior mobilidade do que os prótons que estão presos no

núcleo, por isso é mais fácil transferir elétrons de um corpo para outro.

Você está se iniciando no estudo da Eletrostática.

ELETROSTÁTICA

A Eletrostática (do grego elektron + statikos que significa

estacionário) é o ramo da Física que estuda as propriedades e o

comportamento das cargas elétricas em repouso em relação a um

sistema inercial de referência. Generalizando, a Eletrostática estuda os

casos de equilíbrio dos corpos carregados.

Você já ouviu falar que os opostos se atraem? É exatamente isso que

acontece na natureza, (com relação à Eletricidade) a carga positiva (+) atrai a

carga negativa (–) e vice-versa.

PARADA OBRIGATÓRIA

Lei de Du Fay [12]:

Cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se

atraem.

OLHANDO DE PERTO

A unidade de carga no sistema SI é o Coulomb, em homenagem a

Charles Augustin de Coulomb [15].

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Podemos eletrizar um corpo por três maneiras:

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

Esse processo é conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e consiste

em se atrair corpos inicialmente neutros. Com o atrito ocorre a transferência

de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica

eletrizado positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se

negativamente. Você vai aprender, ainda nesta Aula 1, que a carga sempre se

conserva.

Lembra da experiência com o pente?

Na fricção do pente com a flanela, o atrito faz com que ele ganhe mais

carga negativa (-). Por conservação da carga a flanela fica carregada

positivamente.

No caso do bastão de vidro atritado com a seda ocorre uma transferência

de elétrons do bastão para a seda.

Fonte [16]

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

O corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente

carregado.

Colocando-se em contato dois condutores, um neutro B e o outro

eletrizado A, o corpo neutro B se eletriza com carga de mesmo sinal que A.

Considere que A está eletrizado positivamente. Ao entrar em contato

com B, ele atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua eletrizado

positivamente, mas com carga menor e B, que estava neutro, fica eletrizado

positivamente.

Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm

Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de

mesmo sinal.

OBSERVAÇÃO

É importante não esquecer o princípio da conservação das cargas

elétricas: a quantidade de cargas elétricas antes do contato é igual

à quantidade de cargas elétricas depois do contato.

Se os dois corpos forem absolutamente idênticos, no final da experiência

eles ficarão com a mesma quantidade de carga elétrica, que será determinada

pela média aritmética da quantidade de cargas antes do contato.

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

Na eletrização por atrito e por contato, é necessário que haja contato

físico entre os corpos. Na eletrização por indução o contato não é necessário.

Deve haver um condutor carregado que será o indutor e os condutores

neutros serão os induzidos.

Considere três condutores, um carregado eletricamente e outros dois

neutros e encostados um no outro.

Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm

Aproxime o condutor carregado dos condutores neutros.

Durante a aproximação, ocorre uma separação de cargas nos condutores

neutros. Como o indutor é positivo, o corpo (induzido) que está mais

próximo do indutor ficará negativo e o outro corpo (induzido) que está mais

afastado ficará positivo.

Agora com o indutor ainda próximo, separe os dois condutores que

estão juntos. Finalmente retira-se o indutor das proximidades dos outros

dois corpos. Você terá como resultado os dois condutores que inicialmente

estavam neutros, agora carregados com cargas de sinais opostos.

Note que não houve, em nenhum momento, o contato entre o condutor

carregado (indutor) e os condutores inicialmente neutros (induzidos). Por

isso esse processo é chamado de indução.

O condutor que provoca a indução, é denominado indutor e o

condutor que sofre indução, é denominado induzido.

Em um processo de indução envolvendo apenas dois

condutores (um indutor e um induzido) o induzido sempre se

eletriza com carga de sinal contrário ao da carga do indutor.

DESAFIO

No processo de indução que você viu acima, como ficariam as cargas

dos induzidos se eles tivessem, cada um, o dobro do tamanho do indutor?

Os aparelhos que servem para verificar se um corpo está eletrizado são

chamados de eletroscópios.

Os eletroscópios podem ser de vários tipos:

PÊNDULO ELÉTRICO

Imagem adaptada [18]

Como o próprio nome indica esse instrumento é um pêndulo, feito de

uma esfera sem carga (neutra), um fio de seda (isolante) e uma haste.

Ele funciona da seguinte maneira:

Se aproximarmos um corpo da esfera e ela for atraída por ele, então

esse corpo estará carregado. Se nada acontecer, então este corpo estará

neutro, isto é, descarregado.

Fonte

As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma

experiência eletrostática usando um eletroscópio de pêndulo.

Fonte [19]

Tente explicar o que está acontecendo em cada uma das situações

mostradas acima

ELETROSCÓPIO DE FOLHAS

Esse é o tipo de eletroscópio mais usado. Ele é formado por uma haste

metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica, e na parte

inferior a duas folhas metálicas bem finas. As duas folhas são mantidas no

interior de um recipiente que pode ser uma garrafa de vidro.

Se você quer saber se um corpo está eletrizado, deve aproximar o

corpo da esfera. A esfera, a haste e as duas lâminas eletrizam-se com cargas

de mesmo sinal que a do corpo. As duas folhas repelem-se, já que têm

cargas de sinais iguais.

Fonte [20]

DESAFIO 2

Por que você não tenta construir o seu próprio eletroscópio?

DESAFIO 3

Tente mais este desafio:

Sendo dadas duas esferas de metal montadas em suporte portátil de

material isolante, invente um modo de carregá-las com quantidades de

cargas iguais e de sinais opostos. Você pode usar uma barra de vidro

atritada com seda, mas ela não pode tocar as esferas. É necessário que as

esferas sejam do mesmo tamanho, para o método funcionar?

DESAFIO 4

Com o que você aprendeu neste tópico, tente resolver mais este

desafio!

Três esferas metálicas iguais, A, B e C, estão apoiadas em suportes

isolantes, tendo a esfera A carga elétrica negativa. Próximas a ela, as

esferas B e C estão em contato entre si, sendo que C está ligada à Terra por

um fio condutor, como na figura. A partir dessa configuração, o fio é

retirado e, em seguida a esfera A é levada para muito longe. Finalmente, as

esferas B e C são afastadas uma da outra. Qual é o item abaixo que

corresponde às cargas das esferas?

Não se esqueça de justificar suas respostas.

FÓRUM

Com base nos conhecimentos adquiridos neste tópico, discuta com os

seus colegas e seu professor a seguinte questão:

É possível atrairmos pedacinhos de papel com um canudinho de

plástico, previamente atritado com flanela. Explique os fenômenos

elétricos que permitem tal experiência se os pedacinhos de papel estavam

eletricamente neutros.

EXERCITANDO

Antes de você começar a resolver os exercícios, é bom ver antes alguns

exemplos resolvidos. Clique aqui (Visite a aula online para realizar

download deste arquivo.) e acesse a lista de Exemplos Resolvidos da Aula

01-Tópico 01.

FONTES DAS IMAGENS

1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer2. http://saude.hsw.uol.com.br/reproducao-humana.htm

3. http://departamentos.cardiol.br/gecesp/coluna/06.asp4. http://www.saudeemmovimento.com.br/reportagem/noticia_exibe.asp?cod_noticia=7585. http://pt.wikipedia.org/wiki/Tales_de_Mileto6. http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Letiano/ATRITO.jpg7. http://pt.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin8. http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/gifs/atomo.jpg9. http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan10. http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=9&idSubSecao=&idTexto=1611. http://pt.wikipedia.org/wiki/Quark12. http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Du_Fay13. http://www.adobe.com/go/getflashplayer14. http://www.adobe.com/go/getflashplayer15. http://e-escola.tecnico.ulisboa.pt/site/personalidades.asp?nome=coulomb-charles-augustin-de16. http://www.oocities.org/informacao_us/atrito.jpg17. http://www.adobe.com/go/getflashplayer18. http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/eletricidade/basico/cap01/fig16.gif19. http://br.geocities.com/jcc5000/oqueeelectroscopio.html20. http://www.fisicaecidadania.ufjf.br/conteudos/eletricidade/eletroscopios.html21. http://www.denso-wave.com/en/

Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior

Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual