Electricidade: Electrização, condutores e isoldarores eléctricos, Lei de Coulomb, Campo eléctrico e Campo Magnético e Magnetismo

3º Módulo: Electricidade Temas:

� Electrização;

� Condutores e Isoladores eléctricos;

� Lei de Coulomb;

� Campo eléctrico;

� Efeito Magnético e Magnetização.

Formador: Filipe Mathusso Lunavo /www.mathussojucuiana.blogspot.com

Estaquinha, Julho de 2014

Texto de Apoio Física 3º Ano/ Julho 2014 Filipe Mathusso Jucuiana 1

OBJECTIVOS DO MÓDULO

Caro formando, ao terminar o estudo deste módulo, você deverá conseguir responder os seguintes objectivos, que achei importantes para que os possa alcança-los, pois desta forma, terá um domínio sobre os conteúdos que aqui abordei.

Eis os objectivos deste módulo:

� Conceituar electrização, assim como os processos de electrização; � Realizar experiências que provem os processos de electrização; � Identificar os condutores e isoladores eléctricos; � Anunciar a lei de Coulomb e utiliza-lo na prática; � Definir um campo eléctrico resolver diversos problemas ligados ao mesmo; � Ter a noção sobre o efeito magnético e magnetização.


AULA 1: ELETRIZAÇÃO

Electrização -consiste na transferência de cargas eléctricas entre os corpos, e essa transferência

pode ocorrer por três processos conhecidos: por atrito, por contacto e por indução.

Electrização por Atrito

Electrização por atrito -ocorre quando materiais não condutores são atritados uns contra outros. Nesse processo, um dos materiais perde electrões e outro ganha, de modo que um tipo de material fica positivo e outro fica negativo.

EXPERIÊNCIAS:

1. Carregar um pente passando-o várias vezes no cabelo. A comprovação de que ele ficou carregado é obtida atraindo-se pequenas partículas, por exemplo, de pó de giz.

2. Pegue uma caneta esferográfica e corte alguns pedaços de papel bem pequeno. Agora atrite a parte de trás da caneta em seu cabelo e depois aproxime a parte atritada aos pedaços de papel.

Electrização por Contacto

É o fenómeno que ocorre quando um corpo neutro encosta em um corpo electrizado e vice-versa.

Observe que os corpos, após o contacto, ficam electrizados com cargas de mesmo sinal.

Explicando: (observe a figura acima)

O corpo A está está electrizado com seis cargas elementares positivas e o corpo B está neutro. Durante o contacto há então a transferência de duas cargas elementares negativas de B para A, fazendo então diminuir a quantidade de cargas positivas do corpo A, enquanto, no corpo B o número de cargas positivas passa a exceder o número de electrões.

Texto de Apoio Física 3º Ano/ Julho 2014 Fil

RESUMINDO: O número de cargas positivas do corpo negativas que ele perdeu para o corpo corresponde à mesma quantidade de cargas positivas que o corpo

Também podemos observar nas seguintes figuras:

2

Electrização por Indução

Electrização por indução é o processo de carregar electricamente um objecto colocando

no campo eléctrico de outro objecto carregado, às vezes

eléctrica.

O processo de electrização por

um condutor neutro. O corpo electrizado, o indutor, é colocado próximo ao corpo neutro, o

induzido, e isso permite que as

corpo neutro, devido a Lei de Atracão e Repulsão entre as cargas eléctricas. As distribuições de

cargas no corpo induzido mantêm

induzido deve-se colocá-lo em contacto com outro corpo neutro e de dimensões maiores, antes

de afastá-lo do indutor. Ao conectar o corpo induzido a outro com dimensões maiores, como no

caso mais frequente quando se usa o fio terra, este adquire cargas de sinal opo

indutor.

EXPERIÊNCIA

Texto de Apoio Física 3º Ano/ Julho 2014 Filipe Mathusso Jucuiana

O número de cargas positivas do corpo B, corresponde à quantidade de cargas negativas que ele perdeu para o corpo A. O número de cargas positivas perdidas pelo corresponde à mesma quantidade de cargas positivas que o corpo B ganhou.

Também podemos observar nas seguintes figuras:

2 3

�

Electrização por Indução

é o processo de carregar electricamente um objecto colocando

de outro objecto carregado, às vezes também é chamada de

electrização por indução ocorre quando um corpo electrizado redistribui cargas de


induzido, e isso permite que as cargas do indutor atraiam ou repelem as cargas negativas do


cargas no corpo induzido mantêm-se apenas na presença do corpo indutor. Para electrizar o

lo em contacto com outro corpo neutro e de dimensões maiores, antes

lo do indutor. Ao conectar o corpo induzido a outro com dimensões maiores, como no

caso mais frequente quando se usa o fio terra, este adquire cargas de sinal opo

Por indução electrostática as folhas doelectroscópio sofrem repulsão ao se aproximar um objecto electrizado.

3

corresponde à quantidade de cargas número de cargas positivas perdidas pelo A,

ganhou.

é o processo de carregar electricamente um objecto colocando-o

também é chamada de indução

indução ocorre quando um corpo electrizado redistribui cargas de


cargas do indutor atraiam ou repelem as cargas negativas do


se apenas na presença do corpo indutor. Para electrizar o

lo em contacto com outro corpo neutro e de dimensões maiores, antes

lo do indutor. Ao conectar o corpo induzido a outro com dimensões maiores, como no

caso mais frequente quando se usa o fio terra, este adquire cargas de sinal oposto ao do corpo

Por indução electrostática as folhas do sofrem repulsão ao se aproximar um


AULA 2: CONDUTORES E ISOLADORES ELÉCTRICOS

CONDUTORES ELEÉCTRICOS

Os condutores de electricidade são meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas eléctricas. O que caracteriza um material como condutor é a camada de valência dos átomos que constituem o material. O que poucas vezes é dito e que na verdade, para um material ser ou não condutor, depende do valor da diferença de potencial a que ele está sendo submetido.

Os materiais condutores têm larga utilização no dia-a-dia. São utilizados, por exemplo, nos fios condutores de electricidade e na indústria de electroeletrônicos, entre muitas outras utilizações.

Tipos de condutores de corrente eléctrica.

Sólidos:

Os metais no geral são bons condutores de electricidade, pois eles possuem os electrões livres. Mas o ouro, a prata e o cobre, também são condutores.

Figuras de condutores eléctricos

Líquidos:

Podemos citar como exemplo as soluções básicas ácidas ou salinas. Numa solução salina, água pura com sal de cozinha (NaCl), onde aparecem catiões (iões positivos) Na+ e aniões (iões negativos) Cl-. Temos iões quando um átomo ganha ou perde electrões. Ao colocarmos na solução duas placas condutoras ligadas a uma bateria, os catiões Na+ formarão uma corrente eléctrica dirigindo-se ao pólo negativo, e os aniões Cl- formarão uma corrente dirigindo-se ao pólo positivo.

Gasosos:

Como exemplo podemos citar o sódio, o fósforo, o mercúrio, o néon etc. Os gases em geral são isolantes, mas, quando ionizados tornam-se condutores.


ISOLADORES ELÉCTRICOS

Os isolantes eléctricos são materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas eléctricas.

Os materiais isolantes são largamente utilizados, assim como os materiais condutores. São utilizados, por exemplo, na parte externa dos fios, encapando-os para melhor conduzir a electricidade.

São exemplos de materiais isolantes: isopor, borracha, vidro, a madeira, o papel e o plástico, assim como muitos outros.

Algumas figuras de isoladores.


AULA 3: LEI DE COULOMB

O cientista francês Charles Augustin de Coulomb (1736o estudo da electricidade. Construiu a balança de torção para medir a intensidade da força eléctrica actuante sobre duas outra, conforme mostra a figura abaixo.

As forças eléctricas podem ser de atracão ou de repulsão. No tratamento daapenas considerada a intensidade da força, seja ela atractiva ou repulsiva.

A Lei de Coulomb foi enunciada como segue:

“A força de atracão ou de repulsão entre duas cargas é directamente proporcional ao produto do módulo das cargas eléctricas e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas”.

Analiticamente, é expressa a seguir

Onde:

• F é a força, • K é a constante electrostática,• Q1 é a carga 1, • Q2 é a carga 2 e • d² é o quadrado da distância entre as cargas


AULA 3: LEI DE COULOMB

Augustin de Coulomb (1736-1806) deu importante contribuição para da electricidade. Construiu a balança de torção para medir a intensidade da força

cargas eléctricas colocadas a uma determinada distância uma da outra, conforme mostra a figura abaixo.

Diagrama que descreve o mecanismo básico da lei de Coulomb. As cargas de mesmo sinalrepelem e as cargas de sinal diferentes atraem.

forças eléctricas podem ser de atracão ou de repulsão. No tratamento daapenas considerada a intensidade da força, seja ela atractiva ou repulsiva.

enunciada como segue:

“A força de atracão ou de repulsão entre duas cargas é directamente proporcional ao produto do módulo das cargas eléctricas e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre

seguir:

K é a constante electrostática,

d² é o quadrado da distância entre as cargas

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1806) deu importante contribuição para da electricidade. Construiu a balança de torção para medir a intensidade da força

cargas eléctricas colocadas a uma determinada distância uma da

Diagrama que descreve o mecanismo básico da As cargas de mesmo sinal se

de sinal diferentes se

forças eléctricas podem ser de atracão ou de repulsão. No tratamento da lei de Coulomb, será

“A força de atracão ou de repulsão entre duas cargas é directamente proporcional ao produto do módulo das cargas eléctricas e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre


O valor da constante electrostática no vácuo é 9.109 N.m2/C2

Quando falamos em 1,0 C (Coulomb), em relação à quantidade de energia, devemos saber que essa energia é totalmente elevada em um simples ponto material. No entanto, quando comparado as cargas encontradas na natureza, o Coulomb se mostrou um valor muito alto.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ENVOLEVNDO LEI DE COULOMB

1. Qual o valor da força atractiva que surge entre duas cargas eléctricas de valores +2nC e -

1nC que encontram-se no vácuo a uma distância de 3 metros uma da outra?

Importante:

Meio: Como verificamos no enunciado, as cargas estão no vácuo desta forma K = 9.109

Unidade: Os valores das cargas eléctricas estão expressas em n, ou seja em nano, por

isso é importante utilizar o valor para n, conforme tabela exibida no tópico anterior que

diz que nano (n) é 10-9.

Dados Pedido Resolução

K= 9.109

q1 = 2.10-9

q2 = 1.10-9

d= 3

R: O valor da força atractiva que surge entre duas cargas de valores +2nC e -1nC que

encontram-se no vácuo a uma distância de 3 metros uma da outra é 9102 −∗ N.

2

999

3

)101(102109

−− ∗×∗∗=F

9

101102109

999

−− ∗×∗∗=F

NF 9102 −∗=


2. Considerando duas cargas eléctricas positivas e idênticas com valores de 1µC, que se

repelem no vácuo com uma força de 3,6 .10-2N, calcule qual a distância entre essas duas

cargas eléctricas. O primeiro passo, a ser dado, é retirar os dados do enunciado.

Lembrar que 1µC = 10-6

Assim q1 e q2 = 1.10-6

F = 3,6. 10-2N

Como as cargas encontram-se no vácuo K = 9.109

Agora é realizar as devidas substituições na lei de Lei de Coulomb, para encontrar o valor

de d.

Como o valor de d é em metros conforme estudamos no na Lei de Coulomb, a resposta para esse

problema é 0,5 metros de distância entre as cargas eléctricas.


AULA 4 : CAMPO ELÉCTRICO

O campo eléctrico é uma medida da acção que uma carga exerce sobre as cargas eléctricas localizadas no seu raio de acção. O campo eléctrico define uma grandeza de tipo vectorial. A direcção do vector campo eléctrico criado por uma carga eléctrica pontual é radial. Cargas positivas têm sentido divergente e cargas negativas têm sentido convergevector campo eléctrico divergente criado por uma carga positiva quando multiplicado pelo sinal de uma carga negativa conduz, como se esperava, a um vector força eléctrica de atracção.

Para definir, matematicamente, o campo eléctrico é que o represente. Esta grandeza é o vector campo eléctrico. Considerando a definição utilizada

anteriormente, o vector campo eléctrico é dado por:

Onde: E = campo eléctrico; F = força q= carga eléctrica. Atenção: A unidade de campo eléctrico (E) no Sistema Internacional (SI) é Newton/Coulomb (N/C).

Algumas imagens do campo eléctrico

NOTA: Michael Faraday (1791 também contribuído com outros trabalhos para o electromagnetismo, posteriormente este conceito foi aprimorado com os trabalhos de James Clerk Maxwell, discípulo de Faraday.

EXERCÍCIOS BÁSICOS:

1. Sobre uma carga eléctrica de 2,0.10força de intensidade 0,80 N. Despreze as acçõeseléctrico nesse ponto. Dados Pedido F = 0.80 N q= 2,0.10-6 C


: CAMPO ELÉCTRICO

O campo eléctrico é uma medida da acção que uma carga exerce sobre as cargas eléctricas localizadas no seu raio de acção. O campo eléctrico define uma grandeza de tipo vectorial. A direcção do vector campo eléctrico criado por uma carga eléctrica pontual é radial. Cargas positivas têm sentido divergente e cargas negativas têm sentido convergevector campo eléctrico divergente criado por uma carga positiva quando multiplicado pelo sinal de uma carga negativa conduz, como se esperava, a um vector força eléctrica de atracção.

Para definir, matematicamente, o campo eléctrico é necessário definirmos uma grandeza física que o represente. Esta grandeza é o vector campo eléctrico. Considerando a definição utilizada

anteriormente, o vector campo eléctrico é dado por: q

FE = ou

A unidade de campo eléctrico (E) no Sistema Internacional (SI) é Newton/Coulomb

Algumas imagens do campo eléctrico

Michael Faraday (1791 – 1867) foi o primeiro a propor o conceito de campo eléctrico e também contribuído com outros trabalhos para o electromagnetismo, posteriormente este conceito foi aprimorado com os trabalhos de James Clerk Maxwell, discípulo de Faraday.

Sobre uma carga eléctrica de 2,0.10-6 C, colocada em certo ponto do espaço, age uma força de intensidade 0,80 N. Despreze as acções gravitacionais. Determine

Dados Pedido Resolução

q

FE = E

NE

q

FE

102

08,06⇒

∗=⇒= −

9

O campo eléctrico é uma medida da acção que uma carga exerce sobre as cargas eléctricas localizadas no seu raio de acção. O campo eléctrico define uma grandeza de tipo vectorial. A direcção do vector campo eléctrico criado por uma carga eléctrica pontual é radial. Cargas positivas têm sentido divergente e cargas negativas têm sentido convergente. Por exemplo, o vector campo eléctrico divergente criado por uma carga positiva quando multiplicado pelo sinal de uma carga negativa conduz, como se esperava, a um vector força eléctrica de atracção.

necessário definirmos uma grandeza física que o represente. Esta grandeza é o vector campo eléctrico. Considerando a definição utilizada

A unidade de campo eléctrico (E) no Sistema Internacional (SI) é Newton/Coulomb

1867) foi o primeiro a propor o conceito de campo eléctrico e também contribuído com outros trabalhos para o electromagnetismo, posteriormente este conceito foi aprimorado com os trabalhos de James Clerk Maxwell, discípulo de Faraday.

ponto do espaço, age uma gravitacionais. Determine o campo

CNE /104 5∗=


AULA 5: EFEITO MAGNÉTICO E MAGNETIZAÇÃO

O efeito magnético é aquele que se manifesta pela criação de um campo magnético na região em torno da corrente. A existência de um campo magnético em determinada região pode ser comprovada com o uso de uma bússola: ocorrerá desvio de direcção da agulha magnética. Este é o efeito mais importante da corrente eléctrica, constituindo a base do funcionamento dos motores, transformações, relés, etc.

Magnetização é o processo pelo qual se magnetiza um corpo ou uma substância.

Magnetizar significa produzir uma orientação organizada nos imãs elementares de tal modo que se produzam pólos distintos e o material se torne magnetizado (atrai outros materiais ferro-magnéticos). A magnetização pode ser obtida colocando o material ferro-magnético em presença de um campo magnético. Este campo magnético pode ser produzido por outro material magnetizado ou por um campo magnético produzido.

Algumas imagens de magnetização


UM POUCO DE HISTORIAL

COULOMB

Charles Augustin de Coulomb foi um físico francês que viveu

de 1736 a 1806, fez descobertas e formulou teorias usadas até

hoje no estudo da Electrostática, principalmente. Criador da Lei

do Coulomb, seu nome foi dado à unidade de Carga Eléctrica,

o Coulomb.


REVENDO O QUE JÁ APRENDI

1. Faça outras experiências da electrização por atrito, diferente das apresentadas na aula 1. 2. Diferencie a electrização por contacto da por indução. 3. Quantos tipos de condutores eléctricos aprendestes? Quais são e o que diferente um do

outro? 4. A cada passo que nós damos, sempre nos deparamos com os condutores, assim como os

isoladores eléctricos. Caracterize os condutores e isoladores eléctricos. 5. Porque é que um condutor sempre aparece isolado? 6. Faça uma experiência para provar que a água é um bom condutor eléctrico. 7. As forças eléctricas podem ser de atracção ou de repulsão. Explique com base na lei de

Coulomb. 8. Faça uma experiência utilizando íman para provar a atracção e repulsão das cargas. 9. Enuncie a lei de Coulomb e expresse-a matematicamente. 10. Qual é o valor da constante k quando as cargas se encontram no vácuo? 11. Resolve os problemas a baixos:

a) Duas esferas iguais, electrizadas com cargas 2µC e -8µC são colocadas em contacto uma com a outra e, depois, separadas pela distância de 9cm.Determine a intensidade da força de interacção eléctrica entre essas esferas.

b) Duas cargas electrizadas com cargas iguais a 2x10-6C, distam entre si 30cm. Calcule a força de interacção electrostática entre elas. O meio é o vácuo cuja constante vale 9x109 N.m²/C².

c) Uma pequena esfera, com carga eléctrica positiva Q1 = 1,5 * 10-9��, está a uma distância 0,05m da Q2 = -2*10-9

��, num vácuo. Qual é a intensidade da força.

d) Determine a intensidade da força no caso que

segue. As cargas puntiformes q1 = 20 �C e q2 = 64 �C estão fixas no vácuo (k = 9 × 109 N.m2/C2), respectivamente nos pontos A e B, como mostra a figura ao lado.

e) Duas cargas eléctricas puntiformes positivas, distantes 3,0*10-3 m uma da outra, interagem mutuamente com uma força de repulsão electrostática de intensidade 8,0 *103 N. A intensidade do vector campo eléctrico gerado por uma delas (Q1) no ponto onde se encontra a outra (Q2) é 2,0 *109 V/m. Qual é o valor da carga eléctrica Q2? Considere: k = 9 × 109 N.m2/C2


f) Duas cargas pontuais Q1 e Q2, respectivamente iguais a +2,0 C e -4,0 C, estão fixas

na recta representada na figura, separadas por uma distância de 4m. Qual é o valor da intensidade da força? Considere: k = 9 × 109 N.m2/C2

12. Duas partículas com carga 5 × 10-6C cada uma estão separadas por uma distância de 1m.

Dado K = 9 × 109 Nm2/C2, determine: a) A intensidade da força eléctrica entre as partículas; b) O campo eléctrico no ponto médio entre as partículas.

13. Num ponto P do espaço situado à distância de 6 cm duma carga pontual, Q, uma pequena

carga de teste positiva q=0,008�� é repelida por uma força de N3102 −× . a) Represente esquematicamente o problema. b) Determine o módulo do campo eléctrico no ponto P. c) Calcule o módulo da carga pontual criadora do campo eléctrico. d) Se a distância entre a carga pontual Q e o ponto P duplicar, como irá ser modificado o

módulo do campo eléctrico em P? Justifique.

14. O diagrama ao lado representa a intensidade do campo eléctrico originada por uma carga, Q, fixa no vácuo, em função da distância da carga. Detemine: a) O valor da carga Q, que origina o campo. b) O valor do campo eléctrico num ponto P, a 50

cm da carga Q.

REFERÊNCIAS

1. Brito, L., Fiolhais, M. e Providência, C., Campo Electromagnético, McGraw Hill, 1999

2. Meneses, João Paulo de. Física 10ª classe F10. Texto Editoras, Maputo – Moçambique.

3. Thomas Carvalho. Lei de Coulomb (em português). Terra. InfoEscola. Página visitada

em 15 de julho de 2013.

4. http://www.physnet.org/modules/pdf_modules/m114.pdf Coulomb's Law

5. http://scienceworld.wolfram.com/physics/CoulombsLaw.html Coulomb's Law -- from

Eric Weisstein's World of Physics

6. P. Pérez et al., Électromagnétisme. Fondements et applications, Masson, Paris, 1997,

page 14 7. http://www.efeitojoule.com/2008/06/eletrizacao-por-atrito-no-vestibular.html 8. http://www.efeitojoule.com/2008/06/eletrizacao-por-contato-no-vestibular.html 9. http://www.efeitojoule.com/2008/06/eletrizacao-por-inducao-no-vestibular.html

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