Unidade 11: cargas elétricas e suas atrações

Seção 01: cargas elétricas



uas das mais antigas manifestações dos fenômenos elétricos na cultura humana são a pedra âmbar (veja a imagem abaixo) e os raios atmosféricos. Claro, entre os povos antigos esses fenômenos estavam associados com a magia e não, como hoje, com a ciência.

O âmbar é uma pedra formada por resina fossilizada de algumas árvores, como os pinheiros. Depois de devidamente lapidada é empregada na fabricação de jóias. O nome, em algumas línguas européias antigas tem o significado de "o que atrai a palha". Isto remete ao fato dessa pedra, ao ser atritada contra alguns materiais, adquirir a propriedade de atração de pequenos corpos.

"Electrum" é a tradução latina do nome grego para âmbar. Esta palavra acabou por dar nome a todo o campo que, na Física, estuda esse tipo de fenômeno: a Eletricidade.

Já os raios, em muitas culturas, estão associados à ação dos deuses (Lembre-se do deus thor da mitologia escandinava). O entendimento dos raios como uma manifestação da eletricidade foi reconhecido somente no século XVIII através do trabalho de Benjamin Franklin, cientista e político norte-americano.

De início, a Eletricidade se mostrou como uma mera curiosidade de salão. Divertida, mas sem utilidade. Apesar disso, para os estudiosos era um fenômeno de difícil explicação. Nessa época, eles conheciam um único método para produzi-la: o atrito de certos materiais. O processo mais empregado era o de produzir eletricidade utilizando máquinas que atritavam "pontas metálicas" contra objetos de vidro.

Ainda no século XVIII, o físico italiano, Alessandro Volta, mostrou que a eletricidade podia ser produzida também através de reações químicas entre metais e ácidos. Como resultado desse trabalho ele fabricou a primeira fonte segura e abundante de corrente elétrica, conhecida hoje como "pilha de Volta".

O trabalho de Alessandro Volta é um marco histórico. Pela primeira vez os cientistas tinham a sua disposição uma fonte confiável e abundante de eletricidade. Neste contexto a pesquisa sobre os fenômenos elétricos toma um novo impulso.

A partir daí, foi possível desenvolver todo um novo ramo da Física e uma tecnologia que, em pouco tempo, daria nova face ao mundo: a eletricidade e a tecnologia eletro-eletrônica.



Teoria moderna da eletricidade

Até a publicação do trabalho de Alessandro Volta a Eletricidade não passava de um conjunto de fenômenos curiosos, ou seja, não ia além do fato de certos materiais, quando atritados um contra o outro, adquirirem a capacidade de atrair ou repelir pequenos objetos colocados nas proximidades.

Nesta época, o pensamento dominante entre os físicos afirmava que a Eletricidade era um fluido, ou seja, uma espécie de névoa que penetrava nos corpos. Nos experimentos, por sua vez, eram observados dois tipos de comportamento dos corpos com Eletricidade: em certas situações eles eram atraídos um para o outro, em outras eram repelidos. Em vista disto, Benjamin Franklin, um dos estudiosos desses fenômenos, propôs a existência de dois tipos de Eletricidade. Ele batizou esses dois tipos de Eletricidade Positiva e Eletricidade Negativa.

No entanto, foi necessário que a Teoria Atômica da Matéria, isto é, a ideia de que a matéria é composta de átomos se estabelecesse na Física para que um novo entendimento sobre a eletricidade fosse alcançado.

Afinal, o que é a eletricidade?

Pelo que sabemos hoje toda a matéria é composta basicamente de partículas chamadas protóns, elétrons e neutrôns. Elas interagem umas com as outras de diversas maneiras e formam os átomos.

Essas partículas possuem algumas propriedades. Partículas que têm a mesma propriedade sentem a presença uma das outras. Isto se manifesta pelo aparecimento de uma força entre elas. Uma dessas propriedades é chamada de "Eletricidade" ou "Carga Elétrica"

Os elétrons e os prótons possuem carga elétrica. Os neutrôns não possuem essa propriedade. Portanto, os prótons e elétrons sentem a presença um dos outros e reagem se afastando ou se aproximando.

Como existem dois comportamentos deve existir também dois tipos de carga elétrica. Aproveitando a nomeclatura de Benjamin Franklin chamamos esses tipos de eletricidade positiva, ou carga elétrica positiva, e de eletricidade negativa, ou carga elétrica negativa.

Corpos com carga elétrica do mesmo tipo sofrem uma força de repulsão entre eles; os corpos com carga elétrica de tipos diferentes, por sua vez, sofrem uma força de atração. Essa força, que será estuda em seguida, é chamada de Força Elétrica. É ela que constroi os átomos.

- Professor, vou fazer um resumo:

Os prótons e os elétrons são partículas que têm uma propriedade chamada eletricidade ou carga elétrica. Isto faz com que elas percebam a presença uma das outras através de uma força de repulsão ou de atração.

- Exato! Repare no modelo de átomo na imagem acima. Ele mostra prótons, no núcleo atômico, e elétrons em torno dele. Eles são mantidos juntos pela ação dessa força que leva o nome de Força Elétrica ou Força Coulombiana.

Logo, podemos afirmar que é a Eletricidade que constrói toda a matéria a nossa volta.

Força de atração e repulsão entre cargas elétricas

Podemos resumir esse comportamento da seguinte forma:

Partículas com cargas elétricas do mesmo tipo sofrem uma força de repulsão entre elas. Partículas com cargas elétricas do tipos diferentes sofrem uma força de atração entre elas.

Considere então duas esferas metálicas dependuradas por um fio isolante e eletricamente carregadas. Observe a imagem abaixo.

Representando a eletricidade positiva pelo sinal "+" e a negativa por "-", as esferas sofrerão a ação de forças atrativas quando forem de sinais diferentes e de forças repulsivas quando forem do mesmo sinal.

Princípio da conservação da carga elétrica

Para as cargas elétricas existe um princípio de conservação.

As cargas elétricas não podem ser criadas nem destruídas. Num sistema isolado eletricamente a quantidade das cargas elétricas é constante.

Portanto, resta a elas somente a possibilidade de serem transferidas de um corpo para outro. No entanto, carga elétrica é apenas uma propriedade. Logo, o que pode ser transferido de um lugar para outro é a partícula que possui essa propriedade.

No nosso estudo, a transferência de cargas elétricas é sempre transferência de elétrons, pois eles são os únicos portadores de carga elétrica com que iremos tratar. Os prótons, que também possuem carga elétrica, na maioria das situações estão presos no núcleo dos átomos.

A carga elétrica de um corpo é sempre multipla da carga do elétron

Assim, podemos afirmar que todo corpo material possui carga elétrica, pois todo corpo é formado por prótons e elétrons. Sabemos que as cargas elétricas dos prótons e elétrons são iguais, embora sejam de tipos diferentes.

No seu estado natural os átomos possuem o mesmo número de prótons e elétrons. Logo, quando isto acontece afirmamos que o corpo está eletricamente neutro. Repare que um corpo eletricamente neutro não é aquele sem carga elétrica, mas aquele onde elas estão balanceadas, ou seja, onde o número de prótons e elétrons do corpo são iguais.

Em certos materiais, no entanto, os elétrons podem ser removidos facilmente de suas órbitas. Podemos usar, por exemplo, o atrito ou o aquecimento para removê-los. Os prótons, ao contrário, não podem ser removidos pelos meios mais comuns. Eles estão firmemente ligados no núcleo do átomos.

Assim, ao afirmarmos que:

um corpo tem carga elétrica positiva queremos com isto dizer que nele há falta de elétrons em relação ao número de prótons naquela região.
Quando ele tem carga elétrica negativa, ao contrário, queremos dizer que há um excesso do número de elétrons em relação ao número de prótons naquela região.

Nunca é demais relembrar que a carga elétrica é uma propriedade dos prótons e dos elétrons. Isto faz com que a carga elétrica de um corpo seja sempre múltipla da carga do elétron. Matematicamente podemos escrever:

A quantidade de carga elétrica (Q) de um corpo é dada pela carga de um elétron (e) multiplicada pelo número (n) de elétrons em excesso (ou falta) existentes no corpo.

Logo, medir a carga de um elétron tornou-se um objetivo importante para os físicos. Essa medida, no entanto, é muito complexa. Foi realizada somente no início do século XX.

Para trabalhar com a eletricidade é necessário realizar medidas

Para entender um fenômeno os Físicos realizam medidas de grandezas físicas e a comparam com a unidade adotada como padrão. Devido a essas dificuldades de medida, a unidade para a carga elétrica foi definida a partir da unidade de corrente elétrica, chamada Ampere (A). Assim:

A unidade, ou o padrão, para medir a carga elétrica é a quantidade de carga necessária para formar uma corrente elétrica de 1 Ampere.

No Sistema Internacional de Unidades (SI) essa unidade é chamada de "Coulomb" ("C"). Nome adotado em homenagem ao físico francês Charles A. Coulomb. Sobre ele falaremos logo a seguir.

- Você deve reparar que estamos medindo a quantidade de carga elétrica da mesma forma que compramos ovos. Os ovos nós compramos em dúzias, a carga elétrica medimos em caixas de elétrons que chamamos de Coulomb

Tempos depois, os físicos conseguiram medir a carga de 1 elétron. Verificou-se que módulo dessa carga é igual a do próton e mede, em "Coulomb" ("C"):

- Professor! Com essa medida o "Coulomb", a unidade que escolhemos para medir a quantidade de carga elétrica, acaba por se revelar como uma caixa de elétrons muito grande.

- Realmente! Repare que a carga do elétron é muito pequena. Assim, a quantidade de elétrons necessária para formar a carga de 1 C é muito grande. Seu valor aproximado é 6,2 . 1020 elétrons.

Para terminar esta aula, note que o próton e o elétron são partículas muito distintas. Por exemplo, a massa do próton é aproximadamente duas mil vezes maior que a do elétron. No entanto, suas cargas elétricas são iguais em módulo, embora sejam de tipos diferentes.

As cargas do elétron e do próton são chamadas de cargas elétricas fundamentais, pois não existem livres na natureza partículas com cargas menores que as delas.



Estas são as informações sobre a eletricidade ou carga elétrica. Se desejar clique sobre a barra abaixo para ler o resumo da aula.

Na próxima seção vamos classificar os diversos materiais existentes. Eles serão classificados como Condutores ou como Isolantes.

Clique no botão abaixo se desejar um resumo desta aula.



Resumo das principais ideias desta seção

  1. A antiga teoria considera a eletricidade como um fluido (um gás) que penetra nos corpos. Existem dois tipos desse fluido e eles são chamados de: eletricidade positiva e eletricidade negativa;
  2. Corpos com eletricidade do mesmo tipo se repelem e com eletricidade de tipos diferentes se atraem;
  3. Atualmente sabemos que:
  4. a eletricidade, ou carga elétrica, é uma propriedade dos elétrons e dos prótons. Existem dois tipos: carga elétrica positiva e a carga elétrica negativa;
  5. Os prótons e os elétrons são as partículas portadoras da carga elétrica. A carga elétrica do próton é positiva e do elétron negativa;
  6. Para a eletricidade vale o princípio da conservação das cargas elétricas.
    As cargas elétricas não podem ser criadas nem destruídas. Num sistema isolado eletricamente ela é constante.
  7. As menores cargas possíveis são a do próton e do elétron e elas têm a intensidade de 1,602 . 10-19 C;
  8. Assim:
    Corpos com o mesmo número de elétrons e prótons são ditos corpos eletricamente neutros;
  9. Corpos com excesso elétrons são ditos corpos com carga negativa;
    Corpos com falta de elétrons são ditos corpos com carga positiva;
  10. A carga elétrica de um corpo (Q) é sempre múltipla da carga do elétron (e), ou seja, Q = n. e, onde (n) é o número de elétrons.


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