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Eletricidade Bsica

1 Org. - Prof. Valdir Dugo Zaragoza

Eletricidade

O estudo da eletricidade originou-se de algumas observaes realizadas

aparentemente no sculo VI a.C., quando gregos teriam identificado os primeiros fenmenos eltricos. Ao que tudo indica, Tales de Mileto (624/5 AC 556/8 AC), um filsofo, aps ter atritado um pedao de mbar com pele de animal, verificou que o primeiro passou a atrair objetos leves, tais como a pena de uma ave.

Por alguns sculos, o estudo da eletricidade no evoluiu quase

nada. No sculo XVI, William Gilbert (1544 1603), um mdico ingls, verificou que no somente o mbar, mas diversas substncias se eletrizavam ao serem atritadas. Como em grego a palavra mbar elektron, ele chamou esses materiais de eltricos. Da nasceu tambm o nome de eletricidade para esse ramo da Fsica.

O francs Du Fay verificou que havia dois tipos de eletricidade, fazendo a

seguinte experincia: Ao atritar o mbar com um pedao de l, este se eletrizava e repelia outro

pedao de mbar igualmente eletrizado. Do mesmo modo, ao atritar o vidro com um pedao de l, este se eletrizava e

repelia outro pedao de vidro igualmente eletrizado. No entanto, o vidro eletrizado atraa o mbar eletrizado. Assim se nomeou a

eletricidade do vidro de vtrea e a das demais substncias de eletricidade resinosa.

Benjamin Franklin (1706 1790), um importante cientista do sculo XVIII, foi

quem nomeou de positiva a eletricidade vtrea e de negativa a resinosa.

O modelo atmico e a carga eltrica Sabemos hoje que a matria constituda por tomos e

que estes, por sua vez, so formados por trs tipos de partculas elementares: prtons, eltrons e nutrons. Segundo o modelo atmico atual, podemos distinguir no tomo duas regies distintas: um ncleo central e uma regio que o

envolve, a eletrosfera. O ncleo uma regio muito compacta, onde esto os prtons e os nutrons. Na eletrosfera esto os eltrons, girando ao redor do ncleo numa trajetria no conhecida.

Das partculas que constituem o tomo, o eltron foi a primeira a ser descoberta: em 1897; o prton foi descoberto em 1919, e o nutron s em 1932. Em todos os tomos, o nmero de prtons igual ao de eltrons. No entanto, o tomo de um elemento qumico diferente do tomo de outro elemento qumico. Em cada um, encontramos uma quantidade particular de prtons e eltrons, que o seu nmero atmico. Por exemplo:

Um tomo de cobre tem 29 prtons e 29 eltrons. Um tomo de alumnio tem apenas 13 prtons e 13 eltrons.

Carga Eltrica A carga eltrica uma propriedade fsica fundamental que determina alguns fenmenos fsicos e

qumicos. Existem dois tipos de carga, positiva e negativa, que em equilbrio no so perceptveis. Quando h tal igualdade ou equilbrio de cargas em um corpo, diz-se que est eletricamente neutro, ou seja, est sem nenhuma carga lquida para interagir com outros corpos. Um corpo est carregado quando possui uma pequena quantidade de carga desequilibrada ou carga lquida. Objetos carregados interagem exercendo foras uns sobre os outros.

Todas as partculas elementares eletrizadas possuem diferentes cargas eltricas em valor absoluto. As partculas elementares so o prton, o eltron e o nutron.

Unidade de medida

A unidade de medida de carga eltrica no Sistema Internacional de

Unidades (SI) o Coulomb (C), que recebeu este nome em homenagem ao fsico francs Charles Augustin de Coulomb (1736-1806).

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Pela Lei de Coulomb, duas cargas eltricas pontuais de 1 Coulomb separadas de um metro

exercem uma sobre a outra uma fora de 9 109 N, isto , aproximadamente o peso de 900 000 toneladas, pois como a carga de uma partcula atmica muito pequena ( 1,6 x 10-19 C) so necessrios aproximadamente 6,25 x 1018 eltrons para obter-se a carga total de 1 Coulomb. O Coulomb , portanto, uma unidade de ordem de grandeza elevada para exprimir quantidades de cargas estticas e utilizam-se geralmente seus submltiplos microcoulomb (C) ou nanocoulomb (nC).

microcoulomb ........... 1C = 10 -6 C nanocoulomb ............ 1nC = 10 -9 C picocoulomb ............. 1pC = 10 -12 C

A carga eltrica do prton foi denominada carga eltrica elementar e seu valor representado pelo

smbolo e. Experimentalmente, determinou-se o valor de carga eltrica elementar: Para um conjunto de n eltrons, dizemos que a quantidade de eletricidade Q desse conjunto vale:

Q = -n e Do mesmo modo, um conjunto de n prtons apresenta uma quantidade de eletricidade vale:

Q = +n e

Eletrizao Estudaremos trs processos bsicos de eletrizao de corpos: o atrito, o contato e um que

decorrncia da induo eletrosttica.

Eletrizao por atrito Ao atritarmos entre si duas substncias diferentes, elas se eletrizam com cargas eltricas de sinais

opostos. Isso se verifica com isolantes ou condutores de eletricidade. Como exemplo, esfreguemos um pano de l sobre um pedao de vidro. Este ceder eltrons para a l e, desse modo, ficar eletrizado positivamente, enquanto a l, negativamente.

Eletrizao por contato

Para eletrizarmos um corpo metlico, podemos fazer uso de um outro corpo previamente eletrizado,

encostando um no outro. Se encostarmos uma esfera de alumnio (neutra) em outra esfera de alumnio eletrizada negativamente, haver passagem de eltrons da esfera eletrizada para a esfera neutra e, ao final, estaro ambas negativas. Na eletrizao por contato os corpos ficaro com cargas eltricas de mesmo sinal.

Eletrizao por induo

A induo eletrosttica um fenmeno de separao de cargas eltricas de sinais contrrios em um

mesmo corpo. Esse tipo de eletrizao ocorre quando aproximamos um corpo eletrizado de outro corpo neutro.

A Lei de Coulomb

No decorrer do sculo XVIII o acmulo de experincias sobre

fenmenos eltricos tornou evidente que o progresso da Eletrosttica dependia da determinao quantitativa da fora eltrica que corpos carregados exercem entre si. As experincias sobre esses fenmenos foram feitas por Coulomb em 1785 revelaram que:

A intensidade da fora entre os corpos eletrizados varia com o inverso do quadrado da

distncia entre eles e diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas.

e = 1,69774 10 -19 C

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A constante de proporcionalidade k depende do meio que envolve os corpos eletrizados.

Quando o meio e o vcuo, k, denominado constante eletrosttica e seu valor determinado experimentalmente, sendo k 9109 unidades do SI.

A fora exercida sobre uma carga determinada pela expresso : , onde : K = Constante de Coulomb ou constante eletrosttica 9 109 [N.m2/C2]

CAMPO ELTRICO Os efeitos eltricos que ocorrem nas proximidades de cargas eltricas so atribudos existncia de

um campo eltrico. Vejamos um exemplo concreto: se aproximarmos um dos nossos braos da tela de um televisor ligado, notaremos que seus plos ficam eriados. Isso mostra que as cargas eltricas da tela do televisor geram um campo eltrico. Uma esfera eletrizada tambm gera sua volta um campo eltrico. Podemos detect-lo usando uma carga eltrica puntiforme como carga de prova. Assim que ela for colocada nas proximidades da esfera, surgir nela uma fora de origem eltrica, demonstrando a presena do campo eltrico. O campo eltrico possui intensidade, direo e sentido, ou seja, uma grandeza vetorial.

Mdulo do campo eltrico Usando a definio de campo eltrico possvel demonstrar que, num ponto P qualquer, o mdulo

campo eltrico, gerado por uma carga eltrica puntiforme Q, dado por: Geralmente ao movimentarmos uma carga de prova por um campo eltrico, observamos que, em

pontos diferentes, a carga de prova fica sujeita a diferentes intensidades de fora eltrica. Nessa expresso, |F| a fora eltrica sobre a carga de prova (Q), no ponto considerado. No

Sistema Internacional, temos: F em Newton (N), Q em Coulomb (C) e E em Newton/Coulomb (N/C). Direo e sentido do campo eltrico Para representar a direo e o sentido do campo eltrico, usamos duas formas: o vetor campo

eltrico ou linhas orientadas, denominadas linhas de fora. Quando o campo eltrico for criado por cargas eltricas positivas, ele ter, por conveno, um sentido de afastamento. Quando o campo eltrico for criado por cargas eltricas negativas, ele ter, por conveno, um sentido de aproximao.

Potencial eltrico

Potencial eltrico a medida do nvel de energia potencial associada a um ponto do campo eltrico,

ou a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas eltricas. Com relao a um campo eltrico interessa-nos a capacidade de realizar trabalho, associada ao campo em si, independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo. Para medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial eltrico.

Para obter o potencial eltrico de um ponto, coloca-se nele uma carga de prova q e mede-se a energia potencial adquirida por ela. Essa energia potencial proporcional ao valor de q. Portanto, o quociente entre a energia potencial e a carga constante.

Esse quociente chama-se potencial eltrico do ponto. Ele pode ser calculado pela expresso: ou , onde V o potencial eltrico, Ep a energia potencial e q a carga. A unidade no S.I. J/C = V (volt)

|E|= |F| [N/C] Q

V = Ep [J/C] = [V] q

E= k Q [N/C