Aula 1_1 Carga Elétrica

Capítulo 1

Física Geral e Experimental III

Prof. Cláudio Graça

2012

Carga Elétrica • O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo

atômico:

• Carga elétrica está relacionada a dois conceitos básicos: carga elétrica e partícula portadora de carga.

2. Partícula portadora de carga elétrica: Entende-se por portadores de cargas elétricas,

partículas que são eletricamente carregadas. Nos metais, o portador de carga elétrica negativa é

o elétron já nos fluidos, o portador de carga elétrica positivos são cátions, pois esse íons

tem prótons em excesso. Os prótons são partículas que compõe o núcleo do átomo. Ao contrário do

elétron, o próton não é uma partícula elementar, pois, são formadas por partículas denominadas quarks.

1. A propriedade: carga elétrica; a carga elétrica é uma propriedade física da matéria positiva

ou negativa.

Pela teoria atual, as menores partículas portadoras de carga elétrica, os prótons e os elétrons, são

indivisíveis. Esse fato faz com que a quantidade de carga elétrica não possa assumir quaisquer valores,

sendo possíveis somente valores múltiplos de quantidade de carga elementar (e).

Dizemos que a quantidade de carga elétrica de um corpo é quantizada.

E que A carga elétrica é conservada, ou seja nunca se observou o seu aniquilamento ou

criação

Carga Elétrica

• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo

atômico

Partícula Massa (grama)

Massa relativa

Carga elétrica (Coulomb)

Carga líquida

Próton (+) 1,7.10-24 1 +1,6.10-19 +1

Nêutron (0) 1,7.10-24 1 0 0

Elétron (-) 9,1.10-28 1/1840 -1,6.10-19 -1

Carga Elétrica

• Carga Elétrica é positiva (+) ou negativa (-)

• Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de

prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura.

• Quando, por um processor qualquer, se consegue desequilibrar o número de

prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado.

- O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso

ou em falta:

- Se o corpo possui um número de prótons maior que o de elétrons,

o corpo está eletrizado positivamente,

- se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é

dito eletrizado negativamente.

• Corpos polarizados: condutor e isolante

Qual o significado de um corpo eletricamente carregado?

Carga Elétrica

• Um fluxo ordenado de cargas positivas ou negativas, é denominado de

corrente elétrica.

• Nos condutores a corrente elétrica é produzida pelo fluxo controlado de

elétrons

• Os materiais que permitem o fluxo de carga são chamados condutores,

materiais que não permitem o fluxo de carga são denominados isolantes.

Condutores: Metais, água, NaCl fundido

• Nos materiais ionicos como sais fundidos, a condução é iônica, por ions

positivos e negativos em direções opostas

• Nos semicondutores a condução é de elétrons e de buracos (falta de elétrons

que funcionam como partículas positivas.

Como ocorre a corrente elétrica?

Processos de eletrização

Atrito

Contato

Indução

Estas noções da eletrização foram desenvolvidas antes de se conhecer a natureza atômica da carga elétrica e dos processos físicos envolvidos em condutores e isolantes.

Eletrização: condutores e isolantes

• Materiais Condutores Elétricos Elétrons quase livres: metais

• Materiais Isolantes Não possuem elétrons livres: vidro, porcelana,

plásticos

Eletrização de Condutores

Eletrização por efeito do campo elétrico

externo, sobre um condutor produzindo

separação de cargas

Eletrização de Isolantes

Eletrização por efeito do campo elétrico

externo, sobre um isolante produzindo a

polarização ou mesmo ionização superficial

Distribuição uniforme de carga Distribuição localizada da carga

Eletrização de Condutores

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um

condutor produzindo separação de cargas

Distribuição uniforme de carga

A eletrização dos condutores resulta na polarização global do condutor, aparecendo um

campo que se opõe ao campo externo anulando o campo no interior do condutor.

Eletrização de Isolantes

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um

isolante produzindo a polarização ou mesmo ionização

superficial

Distribuição localizada da carga

Eletrização: Modelo de eletricidade

Condutor de cobre

L= 1cm e raio 0,005 cm

Átomo de Cobre:

Z=29(prótons), N= 34(nêutrons),

29 Elétrons

Pergunta: Qual é a carga elétrica no material responsável pela condução

elétrica, e quantos elétrons participam da corrente elétrica?

Carbono e diamante

Cobre (Cúbica de Face Centrada)

Considerando um material sólido como um condutor de cobre: o próton se

encontra em posições fixas da estrutura cristalina. Nos condutores alguns

elétrons são chamados livres. Quantos são os elétrons livres no cobre?

elétrons107,854

melétrons/c

omoelétron/átmol

cmátomos/mol

5-

3

3

18222

22

23

10675,6105,8)(

105,8

1/5,6

/92,81002,6

rLnN

g

g

M

Nn

ee

Ae

Compare com a população da terra!

Condutores

Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa

facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está

muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de

valência).

Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o

que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron

(elétron livre).

Número atômico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)

K=2 2n2 = 2x12 = 2

L=8 2n2 = 2x22 = 8

M=18 2n2 = 2x32 = 18

N=1

K L M N 29P

Elétrons Livres Um condutor elétrico é um corpo que permite movimentação de cargas elétricas. A movimentação de cargas elétricas num condutor depende de partículas denominadas "portadores de cargas", como os elétrons e os íons, dependendo do estado físico do condutor.

Estado Físico Portadores de carga Exemplo

Plasma íons (+) e elétrons (-) raios; arcos elétricos; tela de TV; raios; lâmpadas

fluorescentes; etc

Gasoso íons (+) e elétrons (-) gás ionizado

Líquido íons(+) e íons(-) Água do mar; soluções iônicas

Solido "elétrons livres" condutores metálicos; semicondutores

Nos metais, os átomos que formam a rede cristalina - característica das ligações metálicas - perdem elétrons, tornando-se íons (+). Os elétrons que se libertam passam a se movimentar caoticamente com muita liberdade por toda rede, formando uma espécie de mar de elétrons ao redor dos íons (+). Estes elétrons, que não mais pertencem a um único átomo, são os "elétrons livres" que se ficarem sujeitos a um campo elétrico externo se movimentam em função da força elétrica deste campo.

Isolantes

Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não

cedem facilmente elétrons já que a sua camada de valência

está quase completa (para estar completa deveria ter 8

elétrons de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste

caso.

Estes materiais não são condutores de corrente elétrica

porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-lhes

uma grande energia para passar os elétrons de banda de

valência para a banda de condução.

Eletrização por atrito

• Série Triboelétrica:

Positivo (Perdem elétrons facilmente)

Ar

Asbestos

Pele de coelho

Vidro

Mica

Acrílico

Cabelo Humano

Nylon

Lã

Pele

Chumbo

Seda

Alumínio

Papel

Algodão

aço

Madeira

Cera

borracha

Niquel, cobre

Latão

Ouro, Platina

Enxofre

Acetato, rayon

Poliester

Stireno

Orlon

Polyurethane

Polypropylene

Vinyl (PVC)

Silicio

Teflon

Negativos (Ganham eletrons facilmente)

Medida da carga elétrica

• Eletroscópios

• Eletróforo

• Eletrômetro digital

• Balança de Coulomb

Medida da carga elétrica: eletroscópios

Eletrização por indução Elétroforo (Indução) Electrophorus

• Atrite a superfície da placa de espuma com seda.

• Coloque uma placa de alumínio com suporte isolante próximo à

paca de espuma.

•Toque o alumínio para aterramento.

•Separe as placas. Qual será a carga na placa de alumínio?

•Repita n vezes…

- - - - - -

- - - - - -

++++++++ - - - - - - - - -

++++++ ++++++

- - - - - -

Solução: As cargas negativas (elétrons), imóveis na superfície da placa de espuma,

repelem os elétrons na placa de alumínio (condutor). Quando se faz o aterramento da placa

de alumínio, os elétrons são repelidos pelo terra deixando a placa carregada positivamente.

Este processo repetido n vezes e a carga da placa de alumínio será exatamente a mesma,

permitindo realizar experimentos com carga multípla desta.

Terra

Medida da carga elétrica

• Balança de Coulomb 1777

• Eletroforo de Volta O Eletróforo é uma das mais simples máquinas de indução

eletrostática. Foi inventado em 1775, por Alessandro Volta.

A Carga elétrica é Quantizada e Conservada

Existe uma quantidade mínima de carga, que é dada pelo valor da carga do

elétron : e

Qualquer carga q deve ser um valor inteiro de cargas:

A carga Total (= carga liquida ) é conservada.

As cargas podem ser criadas:

n p+ + e- + partícula neutra, ou destruídas:

e- + e- = 2 gamas (raios-x) Entretanto, a carga liqüida não varia, pois os valores da carga do próton, elétron e

pósitron são idênticos

19

, 1,2,3,...

1.60 10 C

q ne n

e

Quantização da Carga

O que significa quantização de carga?

• Elétron - Descoberto em 1911 por Robert A. Milikan no experimento de queda de gota liquida.

• A unidade de carga, e, nunca se observou como sendo divisivel

• Exemplo: supondo uma carga de um objeto, de 1 nC (10-9 C). Quantas unidades elementares formam essa carga?

Q=N*e portanto N= Q/e = 10-9 C/ 1.6*10 -19 C/e = 6*109 = seis bilhões de unidades de carga ou elétrons.

Conservação de Carga

• O atrito não produz carga, simplesmente transfere

carga de um corpo para outro, ou melhor polariza..

• Reações nucleares 0 = e+ + e-

• Decaimento radioativo 238U92 = 234Th90 + 4He2

• Reações de alta energia e- + p+ = e- + p+ + n0

Conservação da carga elétrica é o princípio em física que estipula que a carga

elétrica não pode ser criada ou destruída

O experimento de Coulomb Charles A.Coulomb (1736 – 1806)

F = k·[q1·q2]/d2

Cargas elétricas - Unidade de carga

1 coulomb = 1 C

k = 9×109 N/C2·m2

d = distância entre as cargas em “m”

Lei de Coulomb

A medida da força na balança de Coulomb foi feita em duas etapas, na primeira Coulomb estudou a torção de fibras muito finas, encontrando a expressão para a força de torção em termos do diâmetro da fibra e do seu comprimento.

Dessa maneira, experimentalmente ele pode com-parar os torques produzidos pela repulsão entre as esferas carregadas e o torque resistente oferecido pela fibra.

Na qual b é o braço de alavanca do experimento

Para comprovar a lei basta determinar o expoente 2

Lei de Coulomb

1 2 1 2

2 2

0

1

4

q q q qF k

r r

1 2 3 ...totF F F F

212

20 22 7 -2 -10

1 1 C8.8541878... 10Nm4 10 NA 299792458 msc

9

0

18.99 10 (SI)

4k

A constante 0 é bem conhecida em termos da velocidade da luz cujo valor é

conhecido com exatidão (define o metro!) :

Esta constante é muito grande, como resultado

duas cargas de 1 Coulomb que estão a 1m entre si,

exercem uma força muito grande. Usualmente as

cargas são muito menores.

Principio da

Superposição:

F1 and F2 são um par de

ação e reação

3a lei!

r = distância = separação e não é um

raio!

Comparação de forças: Elétrica x Gravitacional

. * Para um próton,

q = 1.6 X 10-19 C

m = 1.67 X 10-27 kg

m1

m2

F elec = 1

4 0

q 1 q 2

r 2

F grav = G m 1 m 2

r 2

F elec

F grav =

q 1 q 2

m 1 m 2

1

4 0

G

F

F

elec

grav

123 10 36.

Nota: a menor força existente na natureza!

1 2 q

m1 m2

q

r

F F

Lei de Coulomb

Dimensão da carga (esférica).

Exatamente como no caso da gravitação:

Fora de uma casca de carga uniformemente distribuída,

Q, a força sobre uma casca de carga é igual aquela em

que a carga Q estivesse localizada no centro da esfera.

2r

QqkF

Princípio da Superposição

Força elétrica produzido por mais que uma carga pontual

F

F 1

F 2

-q

+q1

+q2

• Qual é a força que atua em –q, devido a

q1 e q2?

– Tal como na mecânica se aplica o

Princípio da Superposição:

– A FORÇA TOTAL, sobre um objeto é igual

à soma vetorial de todas as componentes.

F

= F 1

+ F 2

Princípio da Superposição Como se aplica a lei de Coulomb quando se consideram

mais de duas cargas?

Princípio da Superposição

Resumo: Eletrostática é baseada em quatro fatos empíricos

• Conservação da carga

• Quantização da carga

• Lei de Coulomb

• Princípio da Superposição

Na próxima aula faremos exercícios sobre estes quatro princípios!

Princípios da Eletrostática

Máquinas Eletrostáticas

• Eletroscópio

• Eletróforo

• Garrafa de Leyden

• Gerador de Van der Graaff

• Gerador de Wimshusrt

• Pistola eletrostática

http://www.coe.ufrj.br/~acmq/eletrostatica.html

Eletroscópio e Eletrômetros

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_T05.asp

Dispositivo elétrico descoberto acidentalmente

pelo físico holandes Pieter van Musschenbroek

da universidade de Leiden em 1746, e também

inventado de forma independente pelo alemão

Ewald Georg von Kleist em 1745

Garrafa de Leiden

Foi Gilbert que denominou os

Fenômenos de atração e repulsão

por materiais atritados de fenômenos

Elétricos (da palavra grega âmbar =Elektron)

Isolantes: ÂMBAR

O âmbar é uma resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais. Embora não seja um mineral, às vezes é considerado e usado como uma gema. Sabe-se que as árvores (principalmente os pinheiros) cuja resina se transformou em âmbar viveram há milhões de anos em regiões de clima temperado. Nas zonas cujo clima era tropical, o âmbar foi formado por plantas leguminosas.

Máquinas Eletrostáticas

Primeira máquina eletrostá-

tica, inventada por Otto von

Guerricke (1602–1686), por

volta de 1663

Máquina eletrostática de

Wimshurst, inventada em

1883 por James Wimshrust

(1832-1903)

Máquinas Eletrostáticas

Gerador

Eletrostático do

nosso Laboratório,

também é um

Van de Graaff

Máquinas Eletrostáticas

Gerador de Van de Graaff

A ) Terminal de carga: casca esférica de alumínio

B) Escova superior, serrilha de aluminio

C) Cilindro superior de suporte da correia isolante

D) Correia isolante

E) Motor

F) Escova inferior

G) Cilindro inferior

Campo criado pelo

Gerador Eletrostático

Van de Graaff

Máquina de Wimshurst

Pintura Eletrostática

Descarga elétrica por carga estática

Atenção

Eletricidade estática

representa um risco de

explosão por chispas

Nunca encha tanque

que se encontram no

veículo

Sempre coloque os

tanques no solo