Carga elétrica
A matéria é
constituída por átomos, os quais são formados por um núcleo, onde existem os
prótons e os nêutrons, e uma região em torno do núcleo na quais os elétrons se
movimentam.
Um átomo
possui partículas chamadas prótons, elétrons e nêutrons. Observa-se que prótons
se repelem, e isso ocorre também com os elétrons, mas quando um próton é
colocado na presença de um elétron, existe uma força de atração. Ao próton e ao
elétron atribui-se uma propriedade física denominada carga elétrica.
A
unidade utilizada para medir carga elétrica no SI (Sistema Internacional) é o coulomb,
cujo símbolo é C, em homenagem a Charles Augustin Coulomb (1736-1806).
Carga do elétron ® – 1,6 x 10-19 C
Carga
do próton ® +
1,6 x 10-19 C
Carga
do nêutron ® nula
A
carga do próton ou do elétron é chamada de carga elétrica elementar ou
fundamental (representa-se por e), por ser a menor quantidade de
carga possível de existir na natureza.
Portanto:
e = 1,6 x 10-19 C
Princípios da Eletrostática
1º Princípio da Atração e Repulsão (Lei de Du Fay)
Cargas elétricas de mesmo sinal se
repelem e cargas de sinais contrários se atraem.
2º Princípio da Conservação da Carga Elétrica
Num sistema eletricamente isolado, a
soma algébrica das cargas elétricas é constante.
Considere que num determinado instante
dois corpos A e B encontram-se dentro de um sistema eletricamente isolado. O
corpo A possui carga de 5 C
e o corpo B possui carga de -3
C (figura 1). Após um determinado tempo os corpos
apresentam cargas diferentes conforme a figura 2.
Como o sistema é isolado, as somas das
cargas nos dois momentos são iguais.
Condutores e isolantes
Observa-se que determinados corpos possuem facilidade na passagem de
elétrons e outros não. Assim classificamos os corpos como isolantes ou
condutores.
Condutor
É
considerado um condutor elétrico aquele corpo que é formado por átomos que
possuem elétrons de órbitas mais externas fracamente ligados ao átomo,
denominados “elétrons livres” que podem se movimentar de um átomo para outro.
Isolante
No isolante as cargas elétricas têm
dificuldade para se movimentar, pois os elétrons estão fortemente ligados ao
átomo.
Corpos Eletrizados e Neutros
É considerado corpo neutro,
aquele em que o número de cargas positivas é igual ao número de cargas
negativas.
Q+ = Q- ®
corpo eletricamente neutro (não está eletrizado)
É importante salientar que um corpo neutro possui cargas
elétricas apesar da carga elétrica total ser nula.
Se o corpo apresentar uma diferença no número de prótons e
elétrons, estará eletrizado.
Corpo eletrizado positivamente
Ocorre quando o número de cargas
positivas é maior que o número de cargas negativas.
Q+ > Q- ® corpo eletrizado positivamente
Corpo eletrizado negativamente
Ocorre quando o número de cargas
negativas é maior que o número de cargas positivas.
Q+ < Q- ® corpo eletrizado negativamente
Princípio da Quantização
“Qualquer carga elétrica adquirida por um
corpo é sempre múltiplo da carga elétrica elementar e.”
Este
princípio pode ser expresso por:
Q = n . e
em que:
Q = carga adquirida pelo corpo (coulomb).
n = número de elétrons ganhos ou perdidos pelo corpo (valor
inteiro e positivo).
Processos de Eletrização
Para
eletrizar um corpo inicialmente neutro, deve-se adicionar ou retirar elétrons. Isso
pode ser feito de várias formas, destacando os processos seguintes:
a) eletrização
por atrito;
b) eletrização
por contato;
c) eletrização
por indução.
Eletrização por Atrito
Observa-se que os corpos
possuem uma tendência de perder elétrons, porém alguns materiais apresentam uma
tendência maior que outros. Ao atritarem-se dois isolantes de materiais
diferentes, inicialmente neutros, o corpo que possui maior tendência a
perder elétrons, transfere elétrons para o outro corpo, eletrizando-se
positivamente o corpo que cede elétrons e negativamente o que recebe elétrons.
É
importante observar que após o atrito os corpos adquirem cargas de mesmo valor
absoluto e sinais contrários.
Para saber que corpo ficará eletrizado
positivamente ou negativamente, usa-se a série triboelétrica, que é uma lista
de materiais em que os primeiros da lista possuem tendência maior de perderem
elétrons e ficarem positivamente eletrizados. Uma mesma substância pode se
eletrizar positivamente ou negativamente, dependendo do material com que está
sendo atritado. Para saber como se comporta um determinado corpo após o atrito,
consulte a série triboelétrica abaixo:
Série triboelétrica
+
+ + + + + +
|
Vidro
|
Cabelo
humano
|
Fibra
sintética (nylon)
|
Lã
|
Chumbo
|
Seda
|
Alumínio
|
Papel
|
Algodão
|
Aço
|
Madeira
|
Âmbar
|
Borracha
dura
|
Cobre
|
Prata
|
Ouro
|
Poliéster
|
Isopor
|
Filme
PVC
|
Teflon
|
- -
- - -
- -
|
Cada uma
das substâncias nela mencionada, atritada com uma das que a precedem,
carrega-se negativamente, e com uma das que a seguem, carrega-se positivamente,
ou seja, quanto antes aparece a substância na série, maior a sua tendência de
ceder elétrons.
Quanto mais afastados estiverem os materiais na lista, maior será a
eficiência na eletrização.
Eletrização por Contato
Para ocorrer eletrização por
contato, é necessário que ao menos um dos corpos envolvidos esteja eletrizado. Colocando-se,
em contato os condutores, haverá passagem de elétrons de um corpo para outro, dependendo
de qual carga (positiva ou negativa) o condutor eletrizado possui.
Observe
que após a eletrização os dois corpos ficam com cargas de sinais iguais.
Para o caso particular de
condutores idênticos (forma e volume), após o contato, eles terão
cargas iguais, em módulo e em sinal.
Eletrização por Indução
Seja um corpo neutro condutor
(induzido) e um corpo eletrizado (indutor), sem que haja contato entre
eles. Aproximando o indutor do induzido, observa-se uma separação de cargas no
corpo neutro. Esta separação deve-se à presença do corpo eletrizado, e é
chamada de indução eletrostática. Em seguida liga-se o corpo neutro à Terra,
notando que alguns elétrons livres se movimentam da Terra ao corpo neutro ou do
corpo neutro para a Terra, dependendo do sinal da carga do indutor.
Cortando-se a ligação com a
Terra e afastando o indutor, observamos que o induzido carrega-se com carga de
sinal contrário ao do indutor.
ELETROSCÓPIO
São aparelhos que servem
para determinar se um corpo está ou não eletrizado. Existem dois tipos básicos:
o pêndulo eletrostático e o de folhas.
Pêndulo Eletrostático
É um dispositivo constituído
por uma esfera de material leve (cortiça ou isopor) recoberta por uma camada
metálica (papel alumínio) e suspensa por um fio isolante (seda ou náilon). Pode-se
dispensar a esfera leve e usar somente um pequeno pedaço de papel alumínio como
corpo suspenso. Para saber se um corpo B está ou não eletrizado basta o
aproximar do corpo suspenso.
1°. Caso
Se o corpo suspenso
permanecer em repouso, é porque o corpo B não está eletrizado.
2°. Caso
Se o corpo suspenso for atraído,
é porque o corpo B está eletrizado. Neste caso, o corpo suspenso e o
corpo B entram em contato e o corpo suspenso se eletriza com carga
elétrica de mesmo sinal de B. Em seguida os dois corpos se repelem
porque estão eletrizados com cargas elétricas de mesmo sinal.
Eletroscópio de Folhas
É um dispositivo constituído
de duas lâminas metálicas delgadas, ligadas por uma haste condutora e uma
esfera metálica. Para saber se um corpo A está ou não eletrizado, aproxima-se
o corpo A da esfera do eletroscópio.
Resumo do Eletroscópio de
Folhas
Eletroscópio
|
Condutor
|
Folhas
|
Neutro,
Folhas
inicialmente fechadas
|
Neutro
|
Continuam
fechadas
|
Carga +
|
Abrem-se
|
|
Carga –
|
Abrem-se
|
|
Carregado,
folhas
inicialmente abertas
|
Neutro
|
Mantêm
a
abertura
|
Carga
de mesmo sinal do eletroscópio
|
Abrem-se
mais
|
|
Carga
de sinal contrário do eletroscópio
|
Diminui
abertura
|