Ciências da Natureza Física Prof.: Luiz FelipeCiências da Natureza –Física Prof.: Luiz Felipe Nesse período, Charles François Du Fay realizou um experimento em que atraía

Ciências da Natureza – Física Prof.: Luiz Felipe

Eletrização

O átomo é formado por partículas chamadas prótons, elétrons e nêutrons. A massado próton e do nêutron é praticamente igual mas cerca de 2000 vezes maior que a do elétron.Prótons e elétrons possuem uma propriedade que os nêutrons não possuem: a chamada cargaelétrica.

Em módulo, essa grandeza tem o mesmo valor para todas essas partículas. É achamada carga elétrica elementar (e) e vale:

191,6.10e C−=

Independente se o corpo é condutor ou isolante, normalmente o número de prótonsé igual ao de elétrons. Sendo assim dizemos que o corpo está eletricamente neutro. Casocontrário, quando o número de prótons for diferente do número de elétrons, diremos que ocorpo está eletrizado.

Sua carga elétrica será dada por:

.Q n e=

número de elétrons em falta ou excesso

unidade de carga é o coulomb


✓ Um breve histórico da EletricidadeA história da Eletricidade iniciou-se com Tales de Mileto. Ele observou que o atrito

entre uma resina fóssil (âmbar, que em grego é chamado de eléktron) e um tecido ou peleanimal produziria na resina a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha.

o médico da rainha Elizabeth I, William Gilbert, descobriu que oexperimento poderia ser realizado com outros materiais

Em 1729, Stephen Gray descobriu que a propriedade de atrair ou repelir outros corpos poderiaser transferida de um corpo para outro não apenas por atrito, mas também por contato.


Nesse período, Charles François Du Fay realizou um experimento em que atraía uma finafolha de ouro com um bastão de vidro atritado. Porém, ao encostar o bastão na folha, esta erarepelida. Teríamos, então, 2 tipos de eletricidade: a vítrea e a resinosa.

Em 1747, o norte-americano Benjamin Franklin propôs uma teoria em queconsiderava a carga elétrica um fluido que podia ser transferido de um corpo para outro: ocorpo que perdia esse fluido ficava com falta (negativo); e o que recebia, com excesso(positivo).

Robert Millikan foi quem determinou o valor da carga elétrica elementar e


✓ Física de partículasO modelo atômico de Rutherford-Bohr considera que o átomo é formado por

prótons, nêutrons e elétrons. Essas três partículas foram chamadas de elementares. Noséculo XX, porém, outras partículas foram previstas e descobertas.

Na década de 60, as partículas foram classificadas em hádrons e léptons. Em1963, Gell-Mann e Zweig sugeriram que os hádrons não eram partículas elementares, porqueseriam compostos por quarks.

bottom, down, up, top, charm, strange


✓ Princípios da Eletrostática

✓ Princípio da atração e repulsãoExperimentalmente verifica-se que cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se e cargaselétricas de sinais contrários se atraem.

✓ Princípio da conservação das cargas elétricasEm um sistema isolado, a soma algébrica das cargas positivas e negativas é sempre constante.

antes depoisQ Q=

não troca cargas elétricas com o exterior

condutor elétrico (cargas escoam facilmente para o meio)

isolante


✓ Energia potencial no campo eletrostático

Seja q uma carga elétrica puntiforme abandonada em repouso num ponto qualquerde um campo eletrostático qualquer. Ao ser colocada nesse ponto, sobre a carga atuará umaforça elétrica que tende a deslocá-la em sua própria direção e sentido, realizando assim umtrabalho positivo. A partícula adquire, então, uma energia cinética que veio de outra forma deenergia, a chamada energia potencial elétrica. Para um par de cargas Q e q separadas por umadistância d, a energia potencial será dada por:

.pot

Q qE K

d=

✓ Potencial elétrico

Por definição, o potencial elétrico associado a um certo ponto P, indicado por VP, é dado peloquociente entre a energia potencial da carga em P e o valor da carga:

pot

P P P

KQqE QdV V V Kq q d

= = =

unidade: 1 J/C = 1 V (volt)


✓ Trabalho em função da d.d.p.

Considere uma partícula eletrizada com carga elétrica q que será deslocada entre dois pontosquaisquer, A e B, da região de um campo elétrico. O trabalho da força elétrica será dado por:

( )A Bpot pot A B A BE E qV qV q V V = − = − = −

No caso do campo elétrico uniforme temos:

( ).

. .

A B

A B

q V VE d V V

q E d

= − = −

=

unidade de E no SI é o V/m


✓ Carga elétrica puntiforme abandonada no campo elétrico

Abandonando-se, em repouso, uma carga elétrica q, puntiforme, numa região ondeexiste um campo elétrico, ela fica sujeita à ação de uma força elétrica resultante e desloca-seespontaneamente na direção e sentido dessa força, de tal forma que:

1) Em todo movimento espontâneo de carga elétrica, numcampo elétrico, a energia potencial elétrica diminui.

2) Cargas elétricas positivas, abandonadas em repouso nocampo elétrico e sujeitas apenas à ação da força elétrica,deslocam-se espontaneamente para pontos de menorpotencial.

3) Cargas elétricas negativas, abandonadas em repouso nocampo elétrico e sujeitas apenas à ação da força elétrica,deslocam-se espontaneamente para pontos de maiorpotencial.


✓ Equilíbrio eletrostático entre condutores

Considere dois condutores A e B isolados, com cargas QA e QB e com potenciais VA eVB (VA > VB) estando bem afastados entre si. Liguemos os dois condutores usando um fiocondutor descarregado. Devido à diferença de potencial entre os condutores, haveráescoamento de cargas através do fio, de modo que a corrente convencional vai do potencialmaior para o menor e os elétrons vão de B para A. A movimentação de cargas continua atéque os condutores fiquem com o mesmo potencial; a partir desse instante cessa a troca decargas e o sistema está em equilíbrio eletrostático. Desprezando a carga final do fio (temcapacitância desprezível), temos que:

cargas finais de A e B

' ' ' '

A B A B A BV V Q Q Q Q= + = +


Corrente elétrica

Corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas.

Por convenção, o sentido da corrente elétrica é o oposto ao sentido de movimentodos elétrons.


➢ Obs.: corrente iônica

✓ Intensidade de corrente

A intensidade média da corrente elétrica é definida como sendo:

m

Qi

t=

Uma vez que a carga que passa por uma secção do condutor é dada por Q = n.e, então:

.m

Q n ei

t t= =

unidade: 1 C/s = 1 A (ampère)


Quando a corrente mantém seu sentido invariável, ela é denominada corrente contínua.

corrente contínua e constante

Caso o sentido da corrente se modifique periodicamente no decorrer do tempo, então ela seráchamada de corrente alternada.


➢ Obs.: a área sombreada de um gráfico da corrente elétrica versus o tempo nos fornece a

quantidade de carga que através uma secção daquele condutor

N

Área Q=

➢ Obs.: para soluções eletrolíticas, a intensidade média da corrente elétrica é calculada pelasoma dos módulos das cargas dos ânions e cátions, logo:

anions cations

m

Q Qi

t

+=


✓ Tensão elétrica ou d.d.p.

Para se estabelecer uma corrente elétrica nosterminais de um condutor é necessário que suas extremidadessejam ligadas aos terminais de um gerador elétrico, cujafinalidade é converter outras modalidades de energia emenergia elétrica, a qual será usada pelas cargas elétricas emmovimento ordenado.

a pilha é um gerador elétrico

Teremos então uma diferença de potencial (U) dadapor:

A BU V V= −

representação do gerador


➢ Obs.: uma pilha funciona através de reações espontâneas de oxirredução, nas quaisocorre a transferência de elétrons – que saem do ânodo, o zinco, e se deslocam para ocátodo, o grafite.


✓ Causa da corrente elétricaConsidere duas placas metálicas eletrizadas tal que:

A BV V

Ligando as placas por meio de um fio metálico, elétrons fluirão de B para A, diminuindo opotencial de B e aumentando o potencial de A.

quando os potenciais tornarem-se iguais (for atingido o equilíbrio eletrostático, nãohavendo mais ddp) cessa a corrente elétrica no fio


Para que a corrente não cesse, deve-se manter diferentes os potenciais elétricos nasextremidades do fio. Para isso é preciso realizar um trabalho transportando os elétrons de Apara B.

o agente transportador repõe noselétrons a energia potencial elétricaque perderam

O responsável por essa reposição é o gerador elétrico.

mantém a ddp em seus terminais,consequentemente mantendo a correnteelétrica no circuito


estrutura básica de uma lâmpada incandescente


(ENEM-2011) Um curioso estudante, empolgado com a aula de circuito elétrico que assistiu

na escola, resolve desmontar sua lanterna. Utilizando-se da lâmpada e da pilha, retiradas do

equipamento, e de um fio com as extremidades descascadas, faz as seguintes ligações com a

intenção de acender a lâmpada:

Tendo por base os esquemas mostrados, em quais casos a lâmpada acendeu?

a) (1), (3), (6)

b) (3), (4), (5)

c) (1), (3), (5)

d) (1), (3), (7)

e) (1), (2), (5)


✓ Efeitos fisiológicos da corrente

As atividades musculares, incluindo-se a respiração e os batimentos cardíacos, são

controlados por correntes elétricas internas. A corrente elétrica de origem externa pode

resultar em graves descontroles, tais como paralisia respiratória, fibrilação ventricular ou

parada cardíaca.

a fibrilação ventricular se caracteriza por movimentos de contração nãocoordenados dos ventrículos, resultando no desaparecimento dobombeamento sanguíneo; uma vez iniciada, ela raramente cessaespontaneamente

Não usar as duas mãos simultaneamente em pontos diferentes!!!


Fatores que afetam a corrente elétrica que circula pelo corpo:

1) Acoplamento entre a mão e o condutor (umidade da pele e área de contato);

2) Resistência elétrica associada ao percurso da corrente no corpo;

3) Acoplamento entre os pés e o piso.

sapatos com sola de borracha grossa ou piso bom isolante constituem uma boaproteção no caso de tensões domésticas e ambientes secos


O “terra” é construído enterrando-se, no local da instalação, condutores emterra úmida juntamente com sais e outras substâncias para garantir alta condutânciaelétrica entre os condutores e a terra propriamente dita. Como medida de segurança,todas as caixas metálicas dos instrumentos devem ser ligadas ao fio terra. Oaterramento das carcaças metálicas coloca todas elas no mesmo potencial elétrico, queé o mesmo que o da terra no local da instalação.


i > 1 mA começa a sensação de choque

i > 10 mA contração muscular

entre 100 mA e 200 mA fibrilação ventricular

i > 200 mA travamento do coração


Admitindo que o número de elétrons livres por unidade de volume, para o materialde que é constituído o fio, seja representado por N, temos:

.ol

nN n N A

V= =

.Q n e NA ei i NAve

t t t= = = =

velocidade média de avanço dos elétrons livres

➢ Obs.: a intensidade de corrente está diretamente associada à espessura do fio, por issofusíveis de maior “amperagem” são construídos com fios mais grossos


Considere um condutor metálico de cobre de 0,8mm de raio, cuja intensidade decorrente elétrica seja de 10 A. admitindo que o número de elétrons livres por unidade devolume (cm3) do cobre seja 8,4 . 1022, temos:

( )2

222 19

103,7.10 / 0,37 /

8,4.10 . 0,08 .1,6.10

iv v cm s mm s

NAe

−

−= =

Durante seu movimento de avanço, os elétrons livres “chocam-se” uns com osoutros e também com os íons da rede. Desse modo, o movimento dos elétrons livres no fiose dá sob ação de dois tipos de força: a do campo elétrico, responsável pela velocidade deavanço, e a devida aos choques. Esta força é análoga ao atrito viscoso de um objeto que semove no interior de um fluido.

➢ Obs.: o acender imediato de uma lâmpada não depende dessa velocidade de avanço,mas sim da velocidade de propagação do campo elétrico ao longo do fio. Entre o acionardo interruptor e o início do movimento de avanço de cada elétron, existe um pequenointervalo de tempo que corresponde àquele necessário ao estabelecimento do campoelétrico ao longo do fio, já que o mesmo se propaga com velocidade equivalente à da luz(3 . 108 m/s).

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