Primeiro bimestre de 2016.

Aula 02 - Processos de eletrização e o conceito de campo elétrico.

Como discutimos na aula anterior são os prótons e os elétrons as partículas que possuem eletricidade ou carga elétrica. Essas partículas possuem cargas elétricas iguais, mas de tipos diferentes. Assim se o número de elétrons e prótons de um corpo são os mesmos então ele é dito ser eletricamente neutro.

Nos átomos, os prótons estão firmemente presos nos núcleos atômicos pela força nuclear. Os elétrons, porém, podem ser facilmente manipulados. Eles podem ser retirados os acrescentados aos corpos. Tais processos são chamados de processos de eletrização.

No entanto, existe ainda uma característica das cargas elétricas que deve ser mencionada.

Princípio da conservação da carga elétrica.

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

Portanto, se nos processos de eletrização as cargas nao são criadas nem destruídas, resta a elas a possibilidade de serem transferidas de um corpo para outro. A carga elétrica de um corpo pode então ser entendida como excesso (carga negativa) ou falta de elétrons (carga positiva.)

Eletrização por atrito e por aquecimento.

Atritar certos corpos contra outros corpos ou aquece-los são procedimentos que provocam a transferência de elétrons de um corpo para outro. No final do processo os corpos com excesso de elétrons estarão com carga negativa e aqueles com falta de elétrons com carga positiva.

Corpos condutores e corpos isolantes.

Os corpos cuja estrutura atômica permite o movimento pelo seu interior de elétrons livres, isto é, daqueles elétrons que não estão ligados aos átomos, são chamados corpos condutores. Quando esse movimento dos elétrons não é possível esses corpos são chamados corpos isolantes.

Eletrização por indução elétrica.

Esse tipo de eletrização ocorre quando um dos corpos é um condutor e não exige contato físico entre eles. Na imagem ao lado, temos uma barra de PVC carregada negativamente e uma esfera condutora neutra. A barra se aproxima de uma esfera condutora sem, no entanto, toca-la.

Os elétrons livres da esfera são repelidos para a região oposta. Repare que não houve contato nem transferência de elétrons entre a esfera e a barra. A esfera está eletrizada nas regiões opostas. Isto é chamado Indução elétrica. Finalmente, os elétrons escapam para o corpo da pessoa que toca a esfera. No final a esfera está carregada positivamente.



O conceito de campo elétrico.

O conceito de força de ação a distância que foi tomado por Coulomb de empréstimo da teoria gravitacional de Newton e usado na sua lei da força eletrostática nunca foi universalmente aceito pelos físicos. Nos estudos dos fenômenos elétricos ele foi substituído pelo conceito de Campo elétrico.

Podemos entender o Campo elétrico como uma pertubação que surge no espaço em torno de um corpo carregado eletricamente. O campo é uma grandeza vetorial. Não tem cheiro, não tem cor, não pode ser visto e você não pode toca-lo.

- Então é um fantasma, professor?

- Na verdade não. Isto porque ele tem efeitos físicos que qualquer um pode observar. Veja na figura abaixo como são as linhas do campo originadas numa carga positiva (sentido para fora) e numa carga negativa (sentido para dentro).

O efeito físico que mencionamos acima é o seguinte: quando você coloca uma partícula carregada próxima às cargas que dão origem ao campo elas são aceleradas.

Esta aceleração tem a direção do vetor campo elétrico naquele ponto. Como existem dois tipos de carga elétrica o sentido da aceleração varia.

Se coloco uma partícula carregada positivamente dentro de um campo elétrico ela é acelerada sempre no sentido da linha do campo. Veja na imagem acima.

Se, ao contrário, coloco uma partícula carregada negativamente dentro de um campo elétrico ela é acelerada no sentido oposto da linha do campo. Veja na imagem acima.

Analogia entre o campo gravitacional e o campo elétrico.

Existem alguma semelhanças entre o comportamento de um campo gravitacional e de um campo elétrico. Quando coloco dentro de um campo gravitacional um corpo de massa "m" ele é acelerado. Uma força, chamada de "força peso" age sobre o corpo. A intensidade dessa força é dada pelo produto da massa do corpo pelo módulo do vetor campo gravitacional que nós conhecemos por "aceleração da gravidade". Veja a imagem abaixo.

Do mesmo modo, se colocamos um corpo carregado eletricamente dentro de um campo elétrico ele é acelerado devido ao aparecimento da força elétrica cuja intensidade é dada pelo produto da carga elétrica do corpo pelo módulo do vetor campo elétrico.

Repare que não há mais uma força de ação a distância. Agora uma carga cria um campo e esse campo acelera a outra carga.

O conceito de campo elétrico oferece também uma maneira mais simples de calcular a "Força elétrica". Para isto basta multiplicar o valor do campo elétrico (E) no ponto em que está localizada a carga pelo valor da carga (q).

Em termos matemáticos.

O conceito de campo elétrico que superou o conceito de Newton de "forças de ação a distância", teve origem no trabalho de um dos maiores físicos da idade moderna: Michael Faraday. Nascido em uma família humilde, Faraday foi um autodidata que revolucionou os estudos sobre eletricidade. A ele devemos os primeiros estudos sobre motores e geradores elétricos.

Disto, no entanto, voltaremos a tratar nas próximas aulas.



Exercício 01.

Considere uma barra não condutora que se aproxima, mas não toca, de uma pequena esfera neutra de alumínio. A esfera poderá ser atraída pela barra?


Pelo visto na aula a aproximação da barra provocará, por indução, um acúmulo de elétrons em regiões opostos da esfera.


Assim, se a barra for carregada positivamente, provocará um acúmulo de elétrons na região mais próxima à barra. A força será de atração.

Por outro lado, se a barra for carregada negativamente, provocará um acúmulo de elétrons na região oposta. Ainda assim a força será de atração.

A resposta é sim, a esfera poderá ser atraída pela barra.



Exercício 02.

Considere uma barra não condutora que se aproxima, mas não toca, de uma pequena esfera neutra de alumínio. A esfera poderá ser repelida pela barra?


Pelo visto na aula, também neste caso a aproximação da barra provocará, por indução, um acúmulo de elétrons em regiões opostos da esfera.


Assim, se a barra for carregada positivamente, provocará um acúmulo de elétrons na região mais próxima à barra. A força será de atração.

Por outro lado, se a barra for carregada negativamente, provocará um acúmulo de elétrons na região oposta. Ainda assim a força será de atração.

A resposta é não, a esfera não poderá ser atraída pela barra.



Exercício 03.

Na imagem ao lado temos uma barra não condutora carregada negativamente que se aproxima, sem tocar, de uma esfera condutora neutra.

Ocorre então um processo de eletrização por indução com a esfera, no final, carregada positivamente, pois os elétrons acumulados escaparam para o corpo da pessoa.

Descreva o processo quando a barra for carregada positivamente.


Neste caso ocorrerá um acúmulo de elétrons na regição da esfera mais próxima da barra.


Portanto, na região onde a pessoa toca a esfera haverá uma redução do número de elétrons.

Ao tocar a esfera os elétrons do braço da pessoa passarão para a esfera. O fluxo de elétons será, portanto, no sentido inverso do anterior.



Exercício 04.

Duas cargas são colocadas afastadas uma da outra sobre uma linha horizontal de modo que os campos não sofram interferência mútua. A da esquerda é positiva e a da direita é negativa.

Próximo a elas colocamos cargas positivas (vermelhas) e negativas (azuis).

a ) - Esboce a seta que fornece a direção e o sentido da força elétrica que age sobre as cargas.

b ) - Suponha que o campo elétrico mede 300 N/C no ponto em que estão as vermelhas e 250 N/C no ponto das azuis, Calcule a intensidade da força elétrica que atua sobre elas sabendo-se que as cargas são de 2,0 C cada uma.


Devemos nos lembrar que o campo elétrico originado numa carga positiva "sai" e da carga negativa "entra" na carga.


a ) - Os círculos vemelhos marcam as cargas positivas e os azuis as negativas. Temos então os vetores.

Repare que as forças sobre as cargas positivas sempre são no sentido do campo e nas negativas no sentido oposto.

b ) - Usando a expressão vista acima e substituindo os valores das medidas.

Para as cargas vermelhas (positiva).

Fele = q . E --> Fele = 2,0 . 300 --> Fele = = 600 N.

Para as cargas azuis (negativa).

Fele = q . E --> Fele = 2,0 . 250 --> Fele = = 500 N.


   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.