Unidade 1 – Carga Elétrica

Prof. MSc. Farley Correia Sardinha

OBJETIVOS: 1.Reconhecer as partículas elementares do

Modelo Padrão; 2.Compreender o conceito de Carga

Elétrica, como propriedade dessas partículas;

3.Compreender o conceito de campo, como efeito da interação de cargas elétricas;

4.Identificar as formas de eletrização de objetos macroscópicos.

Todas as diferentes forças observadas na Natureza podem ser entendidas em termos de quatro interações básicas: Interação nuclear forte (ou hadrônica); Interação eletromagnética; Interação nuclear fraca; Interação gravitacional.

Certas partículas participam das quatro interações, enquanto outras participam de apenas algumas delas.

A teoria que identifica essas partículas e especifica suas interações é o Modelo Padrão da Física de Partículas.

O Modelo Padrão

Partículas Básicas

Léptons Quarks Hádrons

identifica

elementares compostas

Elétron Neutrino do elétron Múon Neutrino do múon Táuon Neutrino do táuon

Up Down Charm Strange Top Bottom

Bárions (formados de 3 quarks ou 3 antiquarks) Mésons (formados de pares quark-antiquark)

Partículas reais (partículas de matéria)

Interações Fundamentais

Eletromagnética Fraca Gravitacional

especifica

Partículas virtuais (partículas de força)

Forte

que são de 4 tipos

há 2 tipos há 6 tipos há 6 tipos

Carga elétrica

devida à

Campo elétrico

que cria

Força elétrica

que exerce

Fótons

transmitida por

Carga de cor

devida à

Campo forte

que cria

Força Forte

que exerce

Glúons

transmitida por

Carga fraca

devida à

Campo fraco

que cria

Força fraca

que exerce

Bósons W e Z

transmitida por

Massa

devida à

Campo gravitacional

que cria

Força gravitacional

que exerce

Grávitons

transmitida por

interagem trocando

são são são

são

são são são

Por volta de 600 a.C. o filósofo grego Thales de Mileto notou que a eletricidade (ou carga elétrica) poderia ser acumulada ao se atritar pele animal em várias substâncias, tal como o âmbar.

Os gregos notaram que pedaços eletrizados de âmbar podiam atrair objetos leves, tais como palha, pelos e penas.

Eles notaram também que se o âmbar fosse atritado por tempo suficiente, uma faísca saltaria dele.

Hoje se sabe que há dois tipos de cargas elétricas, arbitrariamente chamadas por Benjamin Franklin (1706-1790) de:

Carga negativa → atribuída ao elétron (~ em 1897).

Carga positiva → atribuída ao próton (~ em 1920).

Apesar de a massa do elétron ser 1/1836 da massa do próton, ambos possuem o mesmo valor de carga elétrica, a carga elementar, dada por:

𝒆 ≅ 𝟏, 𝟔𝟎𝟐𝟏𝟕𝟔𝟓𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟗𝑪

É uma propriedade inata de algumas partículas fundamentais, que determina a interação eletromagnética entre elas.

Ela é uma invariante relativística, ou seja, independe da velocidade da partícula.

Além disso, trata-se de uma grandeza quantizada, ou seja, excetuando-se os quarks, toda partícula possui uma carga elétrica que é um múltiplo inteiro da carga elementar.

Geralmente não se pode observar a grande quantidade de cargas elétricas existentes em um objeto macroscópico, pois o mesmo possui quantidades iguais de cargas negativas e positivas.

Quando há esse equilíbrio de cargas elétricas em um objeto, diz-se que ele está eletricamente neutro.

Quando não há esse equilíbrio de cargas, diz-se que ele está eletricamente carregado ou eletrizado.

Essa diferença de cargas é sempre muito menor do que a quantidade total de cargas positivas e negativas contidas no objeto.

Objeto Eletricamente

Neutro

Objeto Eletricamente

Positivo

Objeto Eletricamente

Negativo

Objetos Eletrizados

Oficialmente, o Sistema Internacional de Unidades denomina a carga elétrica como quantidade de eletricidade.

Daí vem que a quantidade de eletricidade (ou carga elétrica) de um único elétron e de um único próton são:

𝑸𝒑𝒓ó𝒕𝒐𝒏 = +𝒆 𝑸𝒆𝒍é𝒕𝒓𝒐𝒏 = −𝒆

No entanto, a quantidade de eletricidade de um objeto macroscópico é dada por:

𝑸 = 𝒏 ∙ 𝒆

Como já foi dito, n é um número inteiro, o que caracteriza a quantização da carga elétrica.

CARGA ELEMENTAR

NÚMERO DE PARTÍCULAS EM EXCESSO

Uma moeda de cobre (Z=29) tem massa de 3,10 gramas. Qual é a carga total de todos os elétrons da moeda? Use: NAVOGADRO = 6,02 x 1023 átomos/mol MCu = 63,5 g/mol

𝑁á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 =𝑚 ×𝑁𝐴𝑣𝑜𝑔𝑎𝑑𝑟𝑜

𝑀𝐶𝑢

n = Z x Nátomos (número de elétrons)

Objetos com cargas de mesmo sinal se repelem, o que é chamado de repulsão eletrostática.

+ +

Objetos com cargas de sinais opostos se atraem, o que é chamado de atração eletrostática.

– –

+ –

De acordo com a facilidade com que as cargas elétricas podem se mover em seu interior, as substâncias podem ser classificadas como: Isolantes – a locomoção de cargas é muito difícil ou inexistente (borracha, vidro, madeira, água destilada, etc).

Condutores – a locomoção de cargas elétricas ocorre com maior facilidade (cobre, corpo humano, água de torneira, etc).

Nos condutores, as ligações metálicas entre os átomos permitem que os elétrons das camadas mais externas sejam compartilhados por vários átomos.

Dessa forma, esses elétrons de condução formam um mar de elétrons que se move aleatoriamente pelo condutor até que o mesmo seja submetido a uma diferença de potencial.

As propriedades de condutores e isolantes se devem à estrutura atômica.

Quando átomos se unem na formação de um sólido, alguns dos elétrons mais afastados do núcleo se tornam livres para vagar pelo sólido, deixando pra trás íons positivos.

Tais elétrons são chamados de elétrons livres ou elétrons de condução.

Os isolantes possuem um pequeno número ou nenhum elétron de condução.

Semicondutores – funcionam ora como isolantes, ora como condutores, possuindo propriedades intermediárias entre os dois. São a base da eletrônica, por serem a matéria-prima dos transistores.

Supercondutores – são substâncias que, a baixas temperaturas, deixam de oferecer qualquer dificuldade à passagem de cargas elétricas. Sua aplicação inclui linhas de transmissão de energia sem perdas e de alta velocidade, assim como os veículos de levitação magnética.

Eletrização por

Ocorre em Cargas finais

Particularidades

Atrito Isolantes De sinais

contrários Obedece à série

triboelétrica

Contato Condutores De sinais

iguais

Se os objetos forem idênticos

suas cargas finais serão idênticas

Indução

Ao menos o induzido deve ser condutor

De sinais contrários

Só ocorrerá a eletrização se o induzido estiver

aterrado

É importante destacar que sempre que um objeto é carregado ou descarregado eletricamente não ocorre nem criação e nem destruição de elétrons, ou seja:

“Durante os processos de eletrização a carga elétrica total sempre se conserva.”

Como a eletrização ocorre através da partilha de elétrons, que não podem ser divididos em frações, todo objeto deve possuir uma carga que é um múltiplo inteiro da carga de um elétron. Disso se conclui que a carga elétrica é uma grandeza quantizada.

1. Qual a origem da palavra eletricidade?

2. No SI, qual o nome oficial da carga elétrica?

3. Sob a complexidade dos fenômenos elétricos está um princípio fundamental do qual praticamente todos os efeitos têm origem. Qual é esse princípio?

4. O que nos permite dizer que, em módulo, a carga de um elétron é igual à de um próton?

5. O que são materiais condutores? E isolantes? Dê exemplos.

6. Se você arranca elétrons de um tapete para a sua pele, ao caminhar sobre ele, você está sendo eletrizado positivamente ou negativamente?

7. Quais são os principais processos de eletrização dos objetos?

8. Se dois objetos se eletrizam ao atritarem-se entre si, podem ficar com cargas elétricas de mesmo sinal? Explique.

9. Na eletrização por contato entre um objeto neutro e outro eletrizado, como ficam os sinais das cargas elétricas dos dois? Explique.

10. Se um objeto condutor for eletrizado, as cargas elétricas em seu interior permanecem no local onde foram “geradas” ou se espalham? Explique.

11. Poderá um objeto adquirir uma quantidade de eletricidade que não seja um múltiplo inteiro da carga elementar?

12. Sempre que dois objetos forem colocados próximos um do outro e houver entre eles uma força de atração, pode-se afirmar que suas cargas são de sinais contrários? E se a força for repulsiva, poderemos afirmar que os dois objetos possuem cargas de mesmo sinal? Explique.

13.A figura abaixo mostra cinco pares de placas:

A, B e D são de plástico e estão eletrizadas enquanto C é de cobre e está neutra. Se as setas indicam as forças eletrostáticas entre as placas, como seriam as forças nas placas onde não há essa indicação?

A C C D B

B A D A D

14.Observe a figura abaixo:

As cargas induzidas nas esferas A e B seriam necessariamente iguais e opostas? Explique.

A B A B A B A B

15.Em um dia de clima muito seco uma menina penteia seus cabelos. À medida que o pente passa pelos longos fios de cabelo, cada fio passa a se mover acompanhando o pente. E, quando o pente se afasta, cada fio se afasta dos demais, estragando todo o penteado. Explique como esse fenômeno ocorre.

16.Dada a série triboelétrica abaixo: amianto – vidro – náilon – seda – papel – borracha

Se um pedaço de: vidro é atritado em seda;

náilon é atritado em borracha;

papel é atritado em amianto.

a) Ocorrerá atração ou repulsão se aproximarmos o pedaço de:

vidro do de amianto;

náilon do de seda;

amianto do de borracha;

16.Dada a série triboelétrica abaixo:

amianto – vidro – náilon – seda – papel – borracha

Se um pedaço de:

vidro é atritado em seda;

náilon é atritado em borracha;

papel é atritado em amianto.

b) O que ocorrerá se um segundo pedaço de seda for atritado em borracha e aproximado do primeiro pedaço de seda?

17.Três esferas condutoras idênticas são dispostas sobre uma superfície sem atrito, tal como na figura abaixo:

Supondo que a do meio pode mover-se livremente e que ocorra apenas eletrizações por contato, quais serão as cargas finais das esferas, quando atingirem o equilíbrio eletrostático?

+10 e +5 e –7 e

18. Um bastão de material isolante, eletrizado, é aproximado de um pêndulo eletrostático, cuja esfera é condutora de eletricidade.

a)No caso de haver atração entre a esfera e o bastão, como devem ser suas cargas elétricas? Explique.

b)E no caso de haver repulsão? Explique.