Eletrostática: Carga Elétrica, Condutores e Isolantes

Eletrostática Carga Elétrica Condutores e Isolantes O que é carga elétrica É uma propriedade fundamental das partículas Carga elementar 1610 19 C Carga do elétron 1610 19C Carga do próton 1610 19C Unidade C Coulomb Princípios da Eletrostática Princípio da atração e repulsão Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem Cargas elétricas de sinais opostos se atraem Princípio da conservação das cargas Num sistema eletricamente isolado a soma algébrica das quantidades de cargas positivas e negativas é constante Elétron livre fracamente ligado ao átomo Condutores elétricos Meios materiais cujos átomos possuem muitos elétrons livres Ex metais Isolantes elétricos ou dielétricos Meios materiais cujos átomos possuem poucos elétrons livre Ex plástico madeira Condutores e Isolantes Átomo Se número de prótons número de elétrons Neutro Se tem falta ou um excesso de elétrons Tem carga Q sendo n um numero inteiro Portanto um corpo pode ser Eletrizado positivamente falta de elétrons Qne Eletrizado negativamente excesso de elétrons Qne Eletrização de um corpo Exemplo 1 Um saco plástico recebeu 341015 elétrons extras em um processo de eletrização por atrito Qual a natureza e o valor da quantidade de carga elétrica do saco plástico Eletrostática Processos de Eletrização Ocorre através do atrito entre dois corpos que adquirem a mesma quantidade de cargas porém de sinais contrários Eletrização por Atrito Série triboelétrica Ocorre ao encostar dois condutores que adquirem cargas de mesmo sinal Se os condutores tiverem mesma forma e mesmas dimensões a carga final será igual para os dois e dada pela média aritmética das cargas iniciais Eletrização por Contato A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples aproximação de um outro corpo eletrizado sem que haja o contato entre eles No processo da indução eletrostática o corpo induzido será eletrizado sempre com cargas de sinal contrário ao das cargas do indutor Eletrização por Indução Exemplos 1 Em uma briga entre um coelho e um gato a pele dos dois animais são atritadas entre si deixando os dois animais eletrizados Podemos concluir que a o coelho ficará positivo e o gato negativo b o coelho ficará negativo e o gato positivo c os dois ficarão positivos d os dois ficarão negativos e o coelho ficará neutro e o gato positivo Exemplos 2 Têmse três esferas metálicas A B e C inicialmente neutras Atritase A com B mantendo C à distância Sabese que nesse processo B ganha elétrons e que logo após as esferas são afastadas entre si de uma grande distância Um bastão eletrizado positivamente é aproximado de cada esfera sem tocálas Podemos afirmar que haverá atração a apenas entre o bastão e a esfera B b entre o bastão e a esfera B e entre o bastão e a esfera C c apenas entre o bastão e a esfera C d entre o bastão e a esfera A e entre o bastão e a esfera B e entre o bastão e a esfera A e entre o bastão e a esfera C Após o contato a carga elétrica adquirida pela segunda esfera é a Q2 b Q c 2 Q d nula e 3 Q Exemplos 3 Uma esfera metálica sustentada por uma haste isolante encontrase em equilíbrio eletrostático com uma pequena carga elétrica Q Uma segunda esfera idêntica e inicialmente descarregada aproximase dela até tocála como indica a figura a seguir A partir dessa configuração o fio é retirado e em seguida a esfera A é levada para muito longe Finalmente as esferas B e C são afastadas uma da outra Após esses procedimentos as cargas das três esferas satisfazem as relações a QA 0 QB 0 QC 0 b QA 0 QB 0 QC 0 c QA 0 QB 0 QC 0 d QA 0 QB 0 QC 0 e QA 0 QB 0 QC 0 Exemplos 4 Três esferas metálicas iguais A B e C estão apoiadas em suportes isolantes tendo a esfera A carga elétrica negativa Próximas a ela as esferas B e C estão em contato entre si sendo que C está ligada à terra por um fio condutor como na figura Eletrostática Lei de Coulomb e Campo Elétrico Lei de Coulomb Expressa matematicamente a intensidade da força eletrostática entre duas cargas K Repulsão Atração Nm2C2 C2Nm2 Exemplo Calcule a intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas puntiformes com cargas 20µC e 30µC distantes 20cm uma da outra Determine as características vetoriais das forças Atração FQq horizontal da esquerda pa direita FqQ horizontal da direita pa esquerda Problema Proposto Calcule a intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas puntiformes com cargas 35µC e 480nC distantes 50cm uma da outra Determine as características vetoriais das forças Repulsão FQq horizontal da direita pa esquerda FqQ horizontal da esquerda pa direita medir a força exercida entre cargas elétricas Antecipando o conceito de corrente elétrica a unidade de carga é o Coulomb que não é uma unidade fundamental O Coulomb é definido no SI como sendo a carga transportada por uma corrente de 1 A que atravessa a seção reta de um fio durante 1 segundo dq i dt No SI a constante eletrostática k é dada por 9 0 C 2 1 Nm2 k 899 10 4πε Nm2 2 3 0 A permissividade do vácuo ε 0 é dada por C 2 12 ε 885 10 A lei de Coulomb Lei de Coulomb Fe 8210 8 N 0 12r 2 1 q1 q2 4π ε qeqp161019 C r12 531011 m distância média entre o próton e o elétron Substituindo estes valores nas equações acima Fe Força Eletrostática 9 Princípio da superposição Forças que atuam em q1