Carga e Força Elétrica: Atividade Prática e Estrutura Atômica

Aula 1009 1 Carga e força elétrica 1 Atividade prática 2 11 Estrutura atómica 2 12 Eletrização 4 13 Propriedades da carga 5 14 Força entre cargas pontuais 6 15 Campo elétrico 8 16 Condutores e Isoladores 10 17 Carga por indução 11 Cargo e força elétrica Atividade prática Estrutura atômica 12 Eletrização É preciso uma energia muito elevada para conseguir remover um próton ou nêutron do núcleo Isso só acontece no interior das estrelas na camada mais extrema da atmosfera onde chocam partículas cósmicos com muita energia ou nos aceleradores de partículas onde os físicos conseguem reproduzir as energias no interior de uma estrela No entanto é mais fácil extrair elétrons de um átomo ficando um íon positivo com excesso de prótons ou transferir mais elétrons para um átomo neutro ficando um íon negativo com excesso de elétrons Figura 13 Barra de vidro carregada esfregandoa com um pano de seda De fato sempre que dois objetos diferentes entram em contato muito próximo passam elétrons de átomos de um dos objetos para o outro O objeto que for mais suscetível a perder elétrons ficará eletrizado com carga positiva n prótons a mais e o objeto que for menos suscetível a perder os seus elétrons ficará com a mesma carga mas negativa n elétrons a mais No caso da fitacola o contato próximo com outros objetos devido à cola faz passar elétrons de um para o outro A fricção entre dois objetos faz também aumentar a passagem de elétrons de um objeto para o outro sendo usada como método para eletrizar objetos Os diferentes materiais podem ser ordenados numa série triboelétrica tabela 11 em que os materiais no topo da série são mais susceptíveis a ficar com carga positiva e os materiais no fim da lista têm uma maior tendência a ficar com carga negativa Por exemplo se uma barra de vidro for esfregada com um pano de seda a barra fica carregada com carga positiva e a seda com carga negativa porque o vidro está por cima da seda na série triboelétrica Mas se a mesma barra de vidro for esfregada com uma pele de coelho a barra fica com carga negativa e a pele com carga positiva porque a pele de coelho está por cima do vidro na série triboelétrica 13 Propriedades da carga A carga elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria assim como a massa A diferença da massa existem dois tipos de cargas diferentes e existem partículas sem nenhuma carga Duas propriedades muito importantes da carga elétrica são a sua quantização e a sua conservação Quantização da carga Nas colisões entre partículas a altas energias são produzidas muitas outras novas partículas diferentes dos elétrons prótons e nêutrons Todas as partículas observadas têm sempre uma carga que é um múltiplo inteiro da carga elementar e equação 11 Assim a carga de qualquer objeto é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar Nas experiências de eletrostática as cargas produzidas são normalmente equivalentes a um número muito elevado de cargas elementares Por tanto nesse caso é uma boa aproximação admitir que a carga varia continuamente e não de forma discreta Conservação da carga Em qualquer processo a carga total inicial é igual à carga final No caso dos fenômenos em que existe transferência de elétrons entre os átomos isso é claro que tenha que ser assim No caso da geração de novas partículas não ter a ver assim mas de fato em todos os processos observados nos raios cósmicos e nos aceleradores de partículas existe sempre conservação da carga se uma nova partícula for criada com carga negativa será criada uma outra partícula com carga positiva 14 Força entre cargas pontuais No século XVIII Benjamin Franklin descobriu que as cargas elétricas colocadas na superfície de um objeto metálico podem produzir forças elétricas elevadas nos corpos no exterior do objeto mas não produzem nenhuma força nos corpos colocados no interior No século anterior Isaac Newton já tinha demonstrado de forma analítica que a força gravitacional produzida por uma massa c é nula no seu interior Esse resultado é consequência da forma como a força gravitante entre partículas diminui em função do quadrado da distância Concluiu então Franklin que a força elétrica entre partículas com carga deveria ser também proporcional ao inverso do quadrado da distância entre as partículas No entanto uma diferença importante entre as forças elétrica e gravitacional é que a força gravitacional é sempre atrativa enquanto que a força elétrica pode ser atrativa ou repulsiva A força elétrica entre duas cargas com o mesmo sinal é repulsiva A força elétrica entre duas cargas com sinais opostos é atrativa Vários anos após o trabalho de Franklin Charles Coulomb fez experiências para estudar com precisão o módulo da força eletrostática entre duas cargas pontuais1 onde r é a distância entre as cargas figura 14 q1 e q2 são as cargas das duas partículas k é uma constante de proporcionalidade designada de constante de Coulomb e ε é a constante dielétrica do meio que existir entre as duas cargas A constante dielétrica do vácuo é exatamente igual a 1 e a constante do ar é muito próxima desse valor assim se entre as cargas existir ar k pode ser eliminada na equação 12 No sistema internacional de unidades o valor da constante de Coulomb é k 9 x 109 Nm²C² Outros meios diferentes do ar têm constantes dielétricas K sempre maiores que o ar consequentemente a força elétrica será mais fraca se as cargas pontuais forem colocadas dentro de um meio diferente do ar 1 Uma carga pontual é uma distribuição de cargas numa pequena região do espaço Exemplos 11 Três cargas pontuais estão ligadas por fios que formam um triângulo retângulo como mostra a figura a Calcule a tensão no fio que liga as cargas de 74 nC e 93 nC b Se a carga de 56 nC fosse retirada a tensão calculada na alínea aumentaria ou diminuiria 15 Campo elétrico Uma forma diferente de explicar a força eletrostática entre duas partículas com carga consiste em admitir que cada carga elétrica cria à sua volta um campo de forças que atua sobre outras partículas com carga Se colocarmos uma partícula com carga q num ponto onde existe um campo elétrico o resultado será uma força elétrica vecF o campo elétrico vecE definese como a força por unidade de carga 15 Campo elétrico Para calcular o valor do campo elétrico produzido pela carga pontual Q num ponto colocase em uma carga de prova q nesse ponto e dividese a força elétrica pela carga q0 Usando a lei de Coulomb equação 12 obtemos o módulo do campo elétrico produzido pela carga Q E frackQr2 onde r é a distância desde a carga Q que produz o campo até o ponto onde se calcula o campo 16 Conductores e Isoladores Em alguns materiais como os metais o eletrão mais externo em cada átomo é livre de se mover pelo material existe assim uma nuvem muito densa de eletrões eletrões de condução com densidade constante se o material for homogéneo Esse tipo de material é designado de condutor Se o condutor for colocado numa região onde existe campo elétrico como a nuvem eletrônica tem carga negativa deslocase em sentido oposto às linhas de campo Assim acumulamse eletrões num extremo ficando com excesso de carga negativa e no extremo oposto aparece uma carga de mesmo valor mas com sinal positivo falta de eletrões Essa acumulação de cargas no condutor cria um campo intenso oposto ao campo elétrico quando os dois campos se anulam o movimento do nuvem eletrônica cessará Na nota esquerdo da figura 17 mostrase o que acontece quando aproximamos uma barra com carga positiva a uma esfera condutora isolada A nuvem eletrónica aproximase da barra Se a barra tivesse carga negativa a nuvem eletrónica afastavase dela Nos dois casos o resultado é o induzido de carga de sinal oposto perto da barra e carga do mesmo sinal na região mais afastada da barra A carga total da esfera continua a ser nula Se a esfera não estivesse sobre um suporte isolador as cargas do mesmo sinal da barra abandonavam a esfera passando através do suporte para a terra Figura 17 Efeito de uma barra com carga sobre uma esfera condutora esquerda e uma esfera isoladora direita Nos materiais isoladores os eletrões estão ligados a cada átomo Quando uma carga externa é colocada perto do material os eletrões e prótons de cada átomo deslocamse na direção das linhas de campo mas em sentidos opostos sem sair do átomo Assim cada átomo deformase criando um pequeno dipolo elétrico no entanto um sistema com carga total nula mas com as cargas positivas e negativas separadas por uma pequena distância O lado direito da figura 17 mostra a deformação de alguns átomos de uma esfera isoladora quando é aproximada uma barra com carga positiva Independentemente do sinal da carga da barra em cada átomo as cargas de sinal oposto à carga da barra estão mais perto da barra e as cargas do mesmo sinal estariam mais afastadas portanto a força 17 Carga por indução Um método usado para carregar dois condutores isolados ficando com cargas idênticas mas de sinais opostos é o método de carga por indução ilustrado na figura 18 Os dois condutores isolados são colocados em contato A seguir aproximase um objeto carregado como se mostra na figura 18 O campo elétrico produzido pelo objeto carregado induz uma carga de sinal oposto no condutor que estiver mais próximo e uma carga do mesmo sinal no condutor que estiver mais afastado A seguir separamse os dois condutores mantendo o objeto carregado na mesma posição Finalmente retirase o objeto carregado ficando os dois condutores carregados com cargas opostas em cada condutor as cargas distribuemse pela superfície devido a repulsão entre elas mas as cargas dos dois condutores já não podem recombinarse por não existir contato entre eles Figura 18 Procedimento usado para carregar dois condutores com cargas iguais mas de sinais opostos Na máquina de Wimshurst usase esse método para separar cargas de sinais opostos Os condutores que entram em contato são duas pequenas lâminas metálicas diametralmente opostas sobre um disco isolador quando passam por duas escovas metálicas ligadas a uma barra metálica figura 19 Às duas lâminas permanecem em contato apenas por alguns instantes devido a que o disco roda Se no momento em que duas das lâminas de um disco entram em contato uma lâmina do disco oposto estiver carregada essa carga induzirá cargas de sinais opostos nas duas lâminas que entraram em contato Essas cargas opostas induzidas em duas regiões do disco induzem também cargas no disco oposto porque nesse disco também há uma barra que liga temporariamente as lâminas diametralmente opostas Em cada disco após induzirem cargas no disco oposto as cargas saltam para dois coletores ligados a duas garrafas metálicas uma das garrafas armazena carga positiva e a outra 19 Máquina de Wimshurst carga negativa Quando as cargas acumuladas nas garrafas forem elevadas produzse uma descarga elétrica entre as pontas de duas barras ligadas às garrafas ficando descarregadas Essa descarga elétrica é um pequeno trovão com uma faísca bastante luminosa Os dois discos rodam em sentidos opostos e as duas barras que estabelecem o contato em disco primeiro seja induzida uma carga que a seguir induz carga oposta no disco oposto e logo passa pelo coletor ficando descarregada e pronta para iniciar outro ciclo A cada ciclo as cargas induzidas aumentam porque cada lâmina é induzida pelas cargas de várias lâminas no disco oposto Para iniciar o processo basta com uma das lâminas tenha acumulado alguma pequena carga por contato com outro corpo como por exemplo o ar à volta A localização inicial dessa lâmina com carga determinará qual das garrafas acumula carga positiva e qual negativa Perguntas 1 Uma barra com carga positiva é colocada perto de uma folha de papel com carga nula A força sobre o papel será A Atrativa B Repulsiva C Nula D Dependerá da barra ser condutora ou isoladora E Atrativa se o papel estiver seco ou nula se estiver húmido 2 O que faz com que um condutor elétrico seja diferente de um isolador é