Primeiro bimestre de 2016.

O que é a eletricidade?

Duas das mais antigas manifestações dos fenômenos elétricos na cultura humana são a pedra âmbar (veja a imagem ao lado) e os raios. Claro, entre os povos antigos esses fenômenos estavam associados com a magia.

O âmbar é uma pedra formada por resina fossilizada de algumas árvores, entre elas os pinheiros. 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 essa pedra. Esta palavra acabou por dar nome a todo o campo que estuda esses fenômenos: 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 força elétrica foi estabelecido somente no século XVII por Benjamin Franklin, cientista e político norte-americano. Hoje, entendemos que eles são o resultado do acúmulo de carga elétrica nas nuvens e do movimento dos elétrons originados da ação da força de Coulomb (Força elétrica) que iremos estudar em seguida.

Veja a seguir uma compilação interessante produzida por Pecos Hank, um repórter cinematográfico americano. Outras produções do mesmo autor podem ser encontradas no canal Peco Hank, no Youtube.



Repare que nos raios uma grande quantidade de energia elétrica é liberada num curto espaço de tempo. Infelizmente, até o momento, não desenvolvemos capacidade técnica para usa-la em nosso proveito.


Na idade moderna esses fenômenos de atração que mencionamos acima deixaram de ser mera curiosidade e passaram a ser estudados pela ciência sob o nome geral de "eletricidade". Em pouco tempo os cientistas desenvolveram pequenas máquinas que criavam eletricidade atritanto metal contra objetos de vidro. Nessa época o entendimento geral era de que a "eletricidade" deveria ser uma espécie de fluído que existia nos corpos materiais.

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No século XVII, o médico e físico italiano "Luigi Galvani" percebeu que as células musculares e nervosas produziam eletricidade através de reações químicas. Ele conseguiu produzir movimento de membros de corpos de animais mortos aplicando neles uma pequena correte elétrica.

Pouco depois, outro físico italiano, Alessandro Volta, mostrou que a eletricidade produzida por reações químicas nos seres vivos podia ser obtida por reações entre metais e ácidos produzidas fora dos organismos vivos. Volta construiu a primeira fonte segura de corrente elétrica, a "pilha de Volta". Até aquele momento a única fonte de eletricidade era o atrito.Veja na imagem abaixo a pilha e seu esquema de construção.

Com o trabalho de Galvani e Volta a Física saiu a era da eletrostática para a era da corrente elétrica. No entanto, ainda não se tinha uma ideia muito segura do que era a eletricidade. Ela continuou a ser pensada como sendo uma espécie de fluido muito delicado que passava de um corpo para outro.

A teoria moderna sobre a eletricidade.

Foi necessário que a ideia da matéria composta de átomos se estabelecesse na Física para que um novo entendimento sobre a eletricidade fosse alcançado. Atualmente, a teoria nos informa que a "Eletricidade" ou "Carga Elétrica" é uma propriedade das partículas que formam os átomos, isto é, os elétrons e os prótons. Os neutrôns não possuem essa propriedade.

Existem dois tipos de eletricidade: A eletricidade positiva, ou carga positiva, e a eletricidade negativa, ou carga negativa. Do mesmo modo que a propriedade da matéria chamada massa dá origem a uma interação (ou força) entre duas partículas que a possuem, a força gravitacional, a propriedade carga eletrica dá origem também a uma interação entre as partículas chamada de força elétrica.

Corpos com carga do mesmo tipo sofrem uma força de repulsão entre eles, os corpos com carga de tipos diferentes, por sua vez, sofrem uma força de atração. Repare no modelo de átomo mostrado na imagem ao lado.

Repare que a eletricidade deixou de ser material, isto é, um fluído que existe dentro dos corpos, para se tornar uma propriedade das partículas que formam os átomos.

Assim, é a própria eletricidade que constrói os átomos. É a força elétrica que mantém os elétrons em torno do núcleo dos átomos. Podemos então afirmar que todo corpo material possui carga elétrica. No entanto, quando afirmamos que um corpo está eletricamente carregado queremos com isto afirmar que as cargas não estão balanceadas. Ele possui excesso ou falta de elétrons. Quando o número de prótons e elétrons são iguais o corpo é dito ser "neutro".

Em certos materiais, os elétrons podem ser removidos facilmente de suas órbitas. Podemos usar, por exemplo, o atrito ou o aquecimento para removê-los. Já os prótons estão firmemente ligados no núcleo. Com isto, ao afirmarmos que um corpo tem carga elétrica positiva queremos com isto dizer que nele há falta de elétrons. Quando ele tem carga negativa, ao contrário, queremos dizer que há um excesso do número de elétrons em relação ao número de prótons naquele corpo.

A carga elétrica de um corpo é sempre múltipla da carga do elétron. Matematicamente podemos escrever:

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

Para trabalhar com a eletricidade é necessário realizar medidas.

Para trabalhar em ciências temos que realizar medidas e compara-la com alguma quantidade adotada como padrão. A unidade de medida para carga eletrica adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o "Coulomb" ("C"). Nome adotado em homenagem ao físico francês Charles A. Coulomb. Sobre ele falaremos logo a seguir.

Somente no século passado foi determinada a medida da carga elétrica fundamental, isto é, as cargas dos elétrons e prótons. Elas são iguais em módulo, mas são de tipos diferentes. Nesse trabalho destacou-se o físico americano Robert Millikan.

Repare que a carga do elétron e do próton é muito pequena. Por isto adotamos o Coulomb (C) como unidade. Na verdade a quantidade de elétrons necessária para formar a carga de 1 C é muito grande. Estamos falando de aproximadamente 6,2 . 1020 elétrons.

A Força Elétrica ou Força Coulombiana.

No século XVII, a mecânica de Newton estava em pleno desenvolvimento. A "Força Gravitacional" era a única das forças fundamentais existentes na natureza conhecida pelos físicos. Nesta época, o físico francês C. Coulomb pensou que era bastante possível que a força de atração, ou repulsão, que se observava entre corpos carregados eletricamente fosse do mesmo tipo da gravitação se, em lugar dos valores das massas usássemos os valores das cargas elétricas. Para sua satisfação foi realmente o que ele verificou depois de um longo estudo. Observe o texto abaixo e compare com a expressão da Força Gravitacional.

Coloque o mouse sobre os slides para interromper a passagem.

A definição de uma unidade para a carga elétrica foi obtida depois de um processo complicado. No Sistema Internacional de Unidades (SI) usamos a unidade de corrente elétrica (Ampere) para definir a unidade da carga elétrica. Assim, 1 C (Coulomb) á a quantidade de carga transportada por uma corrente constante de 1 A (Ampere) no intervalo de tempo de 1 segundo. Mais adiante veremos a definição do Ampere, isto é, da unidade de intensidade de corrente elétrica.

A Força elétrica é muitíssimo mais intensa que a força gravitacional. Para se ter uma ideia saiba que duas cargas pontuais de 1 C, separadas por uma distância de 1 metro, são submetidas a uma força equivalente ao peso de um corpo de 900.000 toneladas.

A partir do trabalho de Coulomb os estudos sobre a eletricidade tiveram rápido desenvolvimento. Os físicos logo aprenderam a controlar a energia elétrica e a construir equipamentos para utiliza-la. A era da civilização movida a força do vapor chegava ao fim e teve início a era da civilização movida a eletricidade.

Isto, no entanto, será assunto para as aulas seguintes.



Exercício 01.

Considere uma lâmpada instalada em uma residência. Por ela passam 0,5 C de carga elétrica por segundo. Levando em conta a medida da carga de um elétron vista anteriormente e que o valor da carga é sempre um múltiplo da carga do elétron, qual o número dos elétrons que passam pela lâmpada a cada segundo?


Se a carga elétrica (Q) de um objeto é múltipla da carga do elétron (e) então na linguagem da matemática escrevemos:

Q = n . e


Nesta igualdade a letra "n" representa o número de elétrons. Substituindo os valores temos:

0,5 = n . 1,602 . 10-19

O que resulta em um número de 3,0 . 108 elétrons passando pelo condutor a cada segundo.


Exercício 02.

Considere duas cargas pontuais colocadas no vácuo com uma distância de 2,0 m entre elas. Neste caso a constante de Coulomb tem o valor aproximado de 9,0 . 109 .

As cargas têm medidas iguais e positivas de 0,2 C cada uma. Calcule a força elétrica entre elas.


Em primeiro lugar devemos nos lembrar que a "Força" é uma grandeza física vetorial. Logo, devemos determinar a sua direção, o seu sentido e seu módulo.


A Lei de Coulomb, vista anteriormente, nos informa que a direção da força é aquela da reta que une o centro das duas cargas.

Pela mesma Lei e pelo fato das duas cargas serem do mesmo tipo (positivas) sabemos que as forças são de repulsão. Isto determina o sentido delas.

Para calcular o módulo da força usamos a expressão matemática da lei e substituimos, em seguida, os valores das variáveis.

Depois de realizar os cálculos obtemos o valor de 9,0 . 107 N. Repare como a força eletrica é intensa.




   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.

   
   
   
  
   
   
   
   
   
   
O que é eletricidade estática?