Eletrostática

1. Eletrostática Processos de eletrização

3. ESTRUTURA ATÔMICA Prótons (p+) Nêutrons (n0) Elétrons (e-)

4. Estrutura atômica Principais características dos átomos • Cada átomo é composto de um núcleo positivamente carregado, rodeado por elétrons negativamente carregados. • Os elétrons de todos os átomos são idênticos. Cada um deles possui mesma quantidade de carga negativa e a mesma massa. • Prótons e nêutrons constituem o núcleo. Os prótons são cerca de 1800 vezes mais massivos do que os elétrons, mas carregam consigo a mesma quantidade de carga positiva que os elétrons possuem de carga negativa. Os nêutrons possuem uma massa ligeiramente maior do que a dos prótons e não possuem carga elétrica. • Normalmente, os átomos possuem o mesmo número de prótons e elétrons, de modo que possuem carga elétrica líquida nula (átomo neutro).

5. Estrutura atômica Exemplo: O modelo de um átomo de hélio. O núcleo atômico é formado por dois prótons e dois nêutrons. Os prótons positivamente carregados atraem os dois elétrons negativamente carregados. A carga líquida deste átomo vale zero e, portanto, este átomo está eletricamente neutro.

6. Propriedade Física • Os prótons e os elétrons são portadores de carga elétrica.

7. Carga elementar e Quantidade de Carga Elétrica • 1 carga elétrica elementar (e) = 1,6 x 10-19 C (Coulomb). • A quantidade de carga elétrica de um corpo é dada pela expressão: Q = +/- n . e Onde: Q – quantidade de carga elétrica. e – carga elétrica elementar +/- número de prótons ou elétrons em excesso

8. Corpos neutros e corpos eletrizados • Os objetos materiais são formados por átomos, o que significa que eles são constituídos de elétrons e prótons (e nêutrons). • Um objeto neutro possui mesmo número de elétrons e prótons. • Um corpo eletrizado (ou eletricamente carregado) apresenta um desequilíbrio nos números de prótons e elétrons.

9. Corpos neutros e corpos eletrizados Corpo negativamente carregado: número de elétrons superior ao número de prótons. Corpo positivamente carregado: número de prótons superior ao número de elétrons.

10. Corpo eletricamente neutro Corpo eletrizado positivamente Corpo eletrizado negativamente

11. PRINCÍPIO FUNDAMENTAL DA ELETROSTÁTICA • Corpos de sinais iguais se repelem. • Corpos de sinais diferentes se atraem.

12. Condutores e isolantes

13. Condutores e isolantes • Nos condutores, um ou mais dos elétrons das camadas mais externas desses átomos não estão firmemente presos aos núcleos. Estes elétrons são também chamados de elétrons livres. • Em outros materiais, borracha e vidro, por exemplo, os elétrons estão firmemente ligados aos núcleos. Estes materiais são chamados de isolantes.

14. Processos de eletrização • Eletrização é o processo no qual um corpo, inicialmente neutro, é eletrizado. • Neste processo os elétrons são adicionados ou removidos de um corpo. • Existem três processos de eletrização: Atrito, contato e indução.

15. Processos de eletrização Eletrização por atrito Ocorre quando atritamos dois corpos de substâncias diferentes (ou não), inicialmente neutros, e haverá transferência de elétrons de um corpo para o outro, de tal forma que um corpo fique eletrizado positivamente (cedeu elétrons), e outro corpo fique eletrizado negativamente (ganhou elétrons)

16. Processos de eletrização • Ex: Lã e vidro Ao final do processo temos dois corpos eletrizados. O vidro carregado positivamente e a lã negativamente. Inicialmente a lã e o vidro estão neutros e, portanto, em cada objeto encontramos o mesmo número de prótons e elétrons. Ao atritar os dois objetos os elétrons são transferidos do vidro para a lã.

17. Processos de eletrização Eletrização por contato Ocorre quando um corpo eletrizado é colocado em contato com um corpo neutro. O excesso de carga do corpo eletrizado é distribuído entre os dois corpos. Quando os dois corpos possuem as mesmas dimensões, a carga é igualmente distribuída.

18. Processos de eletrização Eletrização por contato Exemplo 1: Corpo eletrizado negativamente B A O sinal negativo representa o excesso de elétrons no corpo A. Corpo B (neutro) Corpo A (Eletrizado Negativamente)

19. Processos de eletrização Eletrização por contato Exemplo 1: Corpo eletrizado negativamente B A Os elétrons em excesso do corpo A são transferidos para o corpo B até que ambos possuam a mesma carga elétrica (corpos idênticos). Ao final do processo temos dois corpos eletrizados com cargas de sinais iguais.

20. Processos de eletrização Eletrização por contato Exemplo 2: Corpo eletrizado positivamente B A O sinal positivo representa o excesso de prótons no corpo A. O corpo B possui o mesmo número de prótons e elétrons. Corpo B (neutro) Corpo A (Eletrizado positivamente)

21. Processos de eletrização Eletrização por contato Exemplo 2: Corpo eletrizado positivamente B A Quando o contato é estabelecido entre os dois corpos, os elétrons de B são transferidos para A. Cada elétron transferido de B neutraliza um próton em excesso de A

22. Processos de eletrização Eletrização por contato Exemplo 2: Corpo eletrizado positivamente B A Cada elétron neutraliza um próton. Quando o contato é estabelecido entre os dois corpos, os elétrons de B são transferidos para A. Cada elétron transferido de B neutraliza um próton em excesso de A. Ao final do processo temos dois corpos eletrizados com cargas de sinais iguais.

23. Processos de eletrização Eletrização por Indução Quando um objeto negativamente carregado é colocado próximo a uma superfície condutora, os elétrons se movimentam pela superfície do material, mesmo não havendo contato físico. Os elétrons livres da esfera condutora se movimentam devido a repulsão elétrica. Este é o princípio utilizado na eletrização por indução Bastão carregado negativamente

24. Processos de eletrização Eletrização por Indução Considere duas esferas metálicas que estejam se tocando, de modo que efetivamente formem um único condutor não-eletrizado. Quando um bastão negativamente eletrizado é trazido para perto das esferas, os elétrons livres se movimentam devido à repulsão elétrica. Sendo assim, as esferas possuem o mesmo número de elétrons e prótons. 4 prótons em excesso 4 elétrons em excesso

25. Processos de eletrização Eletrização por Indução Se as esferas forem separadas com o bastão ainda presente, elas ficarão igualmente carregadas, mas com cargas de sinais opostos. Quando um bastão negativamente eletrizado é trazido para perto das esferas, os elétrons livres se movimentam devido à repulsão elétrica. 4 prótons em excesso 4 elétrons em excesso

26. Processos de eletrização Eletrização por Indução – aterramento É possível eletrizar uma única esfera por indução se a tocarmos enquanto as cargas encontram-se separadas. O bastão carregado positivamente provoca a separação de cargas na esfera Ao final do processo a esfera possui excesso de elétrons. Ao tocar a esfera, elétrons são transferidos.

27. Processos de eletrização Eletrização por Indução – aterramento Este processo pode ser realizado com um fio ligado à terra (aterramento). Os elétrons serão transferidos da terra para a esfera se o fio for ligado do lado positivo. Logo, a esfera ficará carregada negativamente. Os elétrons serão transferidos da esfera para a terra se o fio for ligado do lado negativo. Logo, a esfera ficará carregada positivamente.

28. Os raios

29. Os raios • Ao passar nas proximidades da superfície terrestre, a nuvem induz cargas de sinal contrário. • Uma nuvem pode ser eletrizar a partir das colisões entre as partículas que a constitui. • Experiências realizadas com balões mostram que as nuvens de tempestades (responsáveis pelos raios) apresentam, geralmente, cargas elétricas positivas na parte superior e negativas na inferior.

30. Os raios • Ao passar nas proximidades da superfície terrestre, a nuvem induz cargas de sinal contrário. O raio – ou descarga elétrica – é constituído de elétrons que, neste caso, são transferidos da nuvem para a superfície terrestre.

31. Os raios Descarga elétrica da nuvem para o solo

32. Campo Elétrico Conceito e Matemática

33. Como uma carga “sabe” que a outra está lá? • Mesmo à distância, elas se atraem ou se repelem. • Ainda não foi descoberto “nada material” entre elas. FEL FEL

34. Para responder isso, dois esclarecimentos: • Outras dimensões não é coisa de filme de ficção científica. • Analogia: garotos jogando bolinha de gude...

35. Analogia das Bolinhas de Gude • Um rapaz observa da janela de um prédio....

36. Analogia das Bolinhas de Gude • ...um menino jogar bolinhas de gude num tanque de areia.

37. Analogia das Bolinhas de Gude • Ele percebe que as bolinhas são “REPELIDAS” por certos lugares e “ATRAÍDAS” por outros. • Qual é a explicação para isso?

38. Analogia das Bolinhas de Gude • Simples! Morros e buracos na areia, e a atração da gravidade!

39. Através do quê as cargas “percebem-se” umas às outras? • Deformações no espaço-tempo em outras dimensões. • Essas deformações são chamadas CAMPOS ELÉTRICOS.

40. Calculando o campo elétrico. • Q está gerando um campo elétrico. • q está recebendo este campo. • Se trocarmos q por 5C, qual será a força que receberá devido ao MESMO campo, no mesmo local? q = 4C FEL = 10 N Q + + • Não use regra-de-três!

41. Calculando o campo elétrico. • O campo elétrico gerado por Q produz 10N para 4C, ou seja, 10N ÷ 4C = 2,5N/C. • Dizemos que o campo elétricoE = 2,5N/C. • Logo, com 5C, teremos5×2,5 = 12,5N de força sobre q. E=2,5N/C q = 5C FEL = 12,5 N Q + + • Logo, campo elétricoE = F/q • q está “recebendo” o campo.

42. Calculando o campo elétrico. • O campo existe mesmo sem q no local. • É uma grandeza vetorial. E=2,5N/C • E = F/q • F = kQq/d² • Então:E = kQ/d² • Q é a carga que gera o campo. Q +

43. Soma de campo elétrico. • Para saber a direção do campo das cargas Q, pense numa carga q de teste positiva. • Se o ângulo for 90o, o campo resultante é obtido por Pitágoras. Se não: • ER² = E1² + E2² + 2·E1·E2·cosα - ER E2 E1 +

44. Energia Potencial Elétrica Conceito e Matemática

45. Energia potencial elástica. • Quando esticamos o elástico, “guardamos” energia nele. • A energia é transferida para o carrinho, que ganha velocidade.

46. Energia potencial ELÉTRICA • Como um elástico esticado, duas cargas também “guardam” energia. • A energia potencial elétrica é dada por EP = k·Q·q/d FEL FEL

47. Voltagem Também conhecido como POTENCIAL ou TENSÃO. Conceito e Matemática

48. Calculando a voltagem. • Q está gerando um campo elétrico. • q está recebendo este campo. • Por causa disso, q possui certa ENERGIA EP. • Se trocarmos q por 3C, qual será a energia que terá devido ao MESMO campo, no mesmo local? q = 5C EP = 20 J Q + + • Não use regra-de-três!

49. Calculando a voltagem. • O campo elétrico gerado por Q produz 20J para 5C, ou seja, 20J ÷ 5C = 4J/C. • Dizemos que o POTENCIAL naquele ponto é U = 4J/C ou 4Volts. • Logo, com 3C, teremos3×4 = 12J de energia em q. U = 4V q = 5C FEL = 12,5 N Q + + • Logo, campo elétricoU = EP/q • q está “recebendo” o campo.

50. Voltagem = POTENCIAL. • O potencial existe mesmo sem q no local. • É uma grandeza escalar. • É negativo se Q for negativo. U = 4V • U = EP/q • EP = kQq/d • Então:U = kQ/d • Q é a carga que gera o campo. Q +