Eletricidade Básica

1. Eletricidade Básica Prof. Hebert Monteiro

2. Átomo • O átomo durante muito tempo foi considerado a menor partícula formadora dos elementos químicos, sendo assim: Todo tipo de matéria é constituída por átomos que são eletricamente neutros. Cada átomo tem um pequeno núcleo, constituído por prótons e nêutrons. Os prótons tem carga elétrica positiva e os neutros não tem carga. O número de prótons do núcleo corresponde ao número atômico Z. Em volta do núcleo há um número de elétrons que em condições normais é igual a Z, cada um deles com sua carga negativa de mesmo valor que a do próton, de modo que em condições normais a carga elétrica do átomo é nula. A carga elétrica do próton é +e e a carga elétrica do elétron é –e (sendo e a unidade fundamental de carga elétrica). • A carga então pode ser quantizada. Qualquer carga elétrica Q que se observa na natureza pode ser então escrita na forma: • No S.I, a unidade de medida padrão da carga é o Coulomb [C], que recebeu este nome em homenagem ao Físico Francês Charles Coulomb. Q = Carga N = Número de Elementos e = Carga Elementar

3. Partículas elementares do átomo: • Prótons – Carga Positiva – M = 1,673 x 10-27 Kg • Nêutrons – Sem Carga – M = 1,673 x 10-27 Kg • Elétrons – Carga Negativa – M = 9,109 x 10-31 Kg • Nº Prótons = Nº Elétrons Átomo eletricamente Neutro • Nº Prótons > Nº Elétrons Átomo eletricamente Positivo (íon positivo) • Nº Prótons < Nº Elétrons Átomo eletricamente Negativo (íon negativo) • A quantidade de prótons existentes no núcleo do átomo determinam o seu número atômico, chamado de Z • Os elétrons se mantém na eletrosfera do átomo pela força de atração entre o núcleo positivo e a eletrosfera negativa.

4. Exercício • Pelo simples atrito de dois corpos é possível conseguir, no laboratório, carga de 50 nC. Quantos elétrons devem ser transferidos de um corpo para outro para se ter essa carga?

5. Condutores e Isolantes • Em alguns materiais encontrados na natureza, como cobre, ouro, ferro, etc, alguns elétrons de seus átomos podem se deslocar livremente. Esses materiais são chamados de Condutores. • Já outros materiais como madeira, plástico, vidro, etc, os elétrons são tão fortemente ligados ao átomo que não podem se deslocar com liberdade. São os materiais chamados de Isolantes. • A condutividade ou a propriedade isolante depende da natureza química dos materiais, mais especificamente de seus átomos, que possuem ou não uma grande quantidade de elétrons, podendo, ter um ou mais elétrons livres para se deslocar pelos átomos. • O átomo do cobre, por exemplo, possui um núcleo composto por 27 prótons e cercado por 27 elétrons, cada um em uma camada distinta da chamada eletrosfera. O átomo da ultima camada se encontra mais fracamente ligado ao núcleo pela distância que se encontra dele e pela força repulsiva que os elétrons das camadas inferiores realiza, ficando assim mais facilmente proposto a se mover de um átomo para o outro, criando a chamada corrente elétrica.

6. Tipos de Eletrização • Definição: Chama-se eletrização ao fenômeno pelo qual um corpo neutro passa a eletrizado. • Eletrização por Atrito: Ao atritar vigorosamente dois corpos, estamos fornecendo energia e pode haver transferência de elétrons de um para o outro. Se os corpos atritados estão isolados, ou seja, no sofrem a influencia de quaisquer outros corpos, as cargas elétricas cedidas por um são exatamente as adquiridas pelo outro: Adquirem quantidades de carga elétrica iguais em modulo, mas de sinais contrários. Qa = - Qb

7. Eletrização por Contato: Considere dois corpos, A e B, sendo A positivamente eletrizado e B um corpo neutro. Quando colocamos estes corpos em contato, as cargas positivas do corpo A atraem as cargas negativas de B. Os corpos, claro, devem ser condutores para que isso aconteça. Ao separarmos os corpos, percebemos que o corpo B perdeu elétrons, logo este ficou positivamente eletrizado. Este processo chamado eletrização por contato. • Generalizando, podemos afirmar que, na eletrização por contato: • Os corpos ficam ou eletricamente neutros ou com cargas de mesmo sinal; • A quantidade de carga elétrica total final é igual quantidade de carga elétrica total inicial (principio da conservação de carga elétrica): Qa + Qb = Q’a + Q’b Q’a = Q’b = (Qa + Qb)/2 Se os corpos colocados em contato são de tamanhos diferentes, a divisão de cargas é proporcional às dimensões de cada um.

8. Eletrização por Indução: Nesse tipo de eletrização não há contato entre os corpos. Vejamos como acontece. • Considere três condutores, um carregado eletricamente e ou outros dois neutros e encostados um no outro.Aproxima-se o condutor carregado dos condutores neutros. O condutor carregado será o indutor e os condutores neutros, os induzidos.Durante essa aproximação, observa-se uma separação de cargas nos condutores neutros. Como o indutor é positivo, o induzido mais próximo do indutor ficará negativo e o induzido mais afastado ficará positivo.Agora com o indutor ainda próximo, separam-se os dois condutores que estão juntos. • E por fim retira-se o indutor das proximidades dos outros dois corpos. Teremos como resultado os dois condutores que inicialmente eram neutros, agora carregados com cargas de sinais a opostos. Note que em momento algum houve o contato entre o condutor carregado e os condutores inicialmente neutros.

10. Exercícios • Duas esferas condutoras idênticas, uma com a carga inicial Q e a outra descarregada, são postas em contato. a) Qual a carga de cada esfera? b) Com as esferas em contato, um bastão negativamente carregado é aproximado de uma delas, que fica então com a carga 2Q. Qual é a carga na outra esfera? • Duas esferas idênticas são carregadas por indução e depois separadas. A esfera 1 tem a carga Q e a 2 a carga –Q. Uma terceira esfera, idêntica as duas primeiras, está inicialmente descarregada. Se a esfera 3 encostar na esfera 1 e depois for separada e encostar a esfera 2 e for separada, qual a carga residual em cada esfera?

11. Forças Elétricas sobre objetos descarregados • Notamos que um corpo eletricamente carregado pode exercer força até mesmo sobre objetos descarregados. • O pente de plástico, carregado negativamente, produz um ligeiro deslocamento das cargas das moléculas no interior do isolante neutro, um efeito chamado polarização. Quem estudou primeiramente a força entre as partículas carregadas foi Charles Coulomb.

12. Lei de Coulomb • O módulo da força elétrica entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A força está direcionada sobre a reta que passa pelas duas cargas. Em termos matemáticos, dizemos que, quando duas cargas q1 e q2 estão separadas por uma distância r, o módulo F da força que qualquer uma das cargas exerce sobre a outra pode ser expresso pela relação: K = 8,99 x 109 N.m2/C2

13. Interações entre cargas puntiformes

14. Exercícios • Num átomo de hidrogênio, a separação média entre o elétron e o próton é cerca de 5,3 . 10-11m. Calcular o módulo da força eletrostática de atração do próton sobre o elétron.

15. 2) Três cargas puntiformes estão sobre o eixo dos “x”. A carga q1 = 25nC está na origem, q2 = -10nC está em x = 2m e q0 = 20nC está em x = 3,5m. Calcular a força resultante em q0, provocada por q1 e q2.