Eletricidade - (Alguns conceitos básicos)

Vamos iniciar nosso estudo da eletricidade analisando a demonstração feita em aula.

Será que você é capaz de explicar o que aconteceu ???

Bom, os gregos, que foram os primeiros a notarem este fenômeno, criaram várias explicações para o fato.  Eles fizeram este experimento usando um pedaço de âmbar (resina fóssil de cor amarelada, que em grego era chamado de elektron) e penas, ou palha.  O âmbar quando atritado com outros materiais podia atrair pequenos pedaços de pena ou palha.

Hoje em dia sabemos que ocorre o seguinte:

A matéria é constituída por átomos, e estes por sua vez são formados por elétrons, prótons e nêutrons.  Descobriu-se que os elétrons e os prótons possuem carga elétrica, e que os nêutrons não.

Carga elétrica nada mais é do que uma propriedade existente entre prótons e elétrons que possibilita a ocorrência de interação entre eles.  Lembre-se que ocorre interação entre dois corpos quando eles trocam forças entre si, ou seja, quando um aplica força sobre o outro.

Descobriu-se também que existem dois tipos de cargas, e decidiram chamar uma de positiva (+) e outra de negativa (-), somente para diferenciá-las.  Adotaram a carga positiva para o tipo de carga do próton e negativa para o tipo de carga do elétron.

Constatou-se também que a interação entre estas cargas acontece da seguinte maneira:  cargas de mesmo sinal se repelem enquanto cargas de sinais opostos se atraem (veja a figura ao lado).  

Com isso podemos começar a entender porque nossos dedos atraem o canudinho atritado enquanto o outro canudinho atritado repele-o.  Com certeza tem a ver com o sinal das cargas, ou melhor, com o tipo de carga  que cada um deles possui.  Fica claro que os dois canudinhos possuíam cargas de mesmo sinal, e por isso repeliam-se, enquanto o dedo e o canudinho possuíam cargas de sinais contrários.

 

Qual o valor de uma carga elétrica ?

Já sabemos que o próton possui uma carga elétrica positiva  (+) e que o elétron possui uma carga elétrica negativa (-).  Mas qual será o valor da carga deste elétron e deste próton ?

Descobriu-se mais tarde que a carga elétrica do elétron é igual a carga elétrica do próton, e vale 1,6 x 10-19C, denominada carga elementar.  A única diferença está no sinal, já que uma é positiva e outra é negativa.  Veja como fica:

carga de um próton  =  + 1,6 x 10-19C

carga de um elétron  =  - 1,6 x 10-19C

Vamos imaginar então a seguinte situação, eu tenho um átomo que possui 2 prótons e 2 elétrons.  Qual seria a carga deste átomo ?

(2 x 1,6 x 10 -19 - 2 x 1,6 x 10 -19) = 0

Isso mesmo, a carga deste átomo é nula.  O que não significa que não existam cargas no átomo.  Simplesmente as cargas positivas existente anulam as cargas negativas.  Mas se você tirar um elétron deste átomo, e existem muitas maneiras de se fazer isso, ele ficará com uma carga positiva sobrando, e daí o átomo ficará carregado positivamente.

Então você pode estar pensando : " se eu tirar um próton ele ficará carregado negativamente ".

Correto, mas é muito difícil tirar ou colocar um próton no átomo, isso só é feito em reações nucleares.  O mais fácil é tirar ou colocar elétrons.  Portanto o jeito mais fácil de deixar um corpo carregado negativamente é colocando elétron no mesmo.

"Tirando elétrons de um corpo neutro ele ficará carregado positivamente"

"Colocando elétrons em um corpo neutro ele ficará carregado negativamente"

 

Então, como tirar ou colocar elétrons em um corpo ? 

1) Eletrização por atrito

Uma das maneiras é atritando certos materiais contra outros.  Por exemplo, quando esfregarmos o papel higiênico com o canudinho, o canudinho arrancou elétrons do papel.  Vamos supor que 150 elétrons saíram do papel e foram para o canudinho.  Podemos dizer que a carga do canudinho, que antes era neutra, ficou sendo de -150 x 1,6 x 10-19C, que é igual a  Q = - 240 x 10-19C.  Por outro lado, o papel perdeu os 150 elétrons, ficando então com 150 prótons a mais do que o seu número de elétrons.  Sua carga então passou a ser de Q = +240 x 10-19C.  

Com isso podemos reparar que a carga ganha por um material na eletrização por atrito é sempre igual a carga perdida pelo outro corpo.

2) Eletrização por contato

Imagine que você tenha agora dois corpos, um neutro e outro carregado positivamente.  Acompanhe esta explicação na seqüência de figuras da pág. 87 da sua apostila de Física 2, no capítulo 4.

Exemplo 1

a ) Encostamos o corpo A neutro no corpo B eletrizado positivamente.

b ) Alguns elétrons do corpo A migram para o corpo B na tentativa de equilibrá-lo.

c ) Ocorre a separação dos corpos.

d ) O corpo A perdeu elétrons para B, e por isso ficou com prótons a mais, ou seja, carregado positivamente.

e ) O corpo B ganhou elétrons, mas estes não são suficientes para que o equilíbrio elétrico ocorra.  Ele ainda fica carregado positivamente.

 

Exemplo 2

a ) Encostamos o corpo A neutro no corpo B eletrizado negativamente.

b ) Os elétrons em excesso do corpo B tentam passa para o corpo A.  Alguns deles conseguem.

c ) Ocorre a separação dos corpos.

d ) O corpo B perdeu elétrons para A, mas estes não foram em quantidade suficiente para equilibrá-lo.  O corpo B continua carregado negativamente.  Por outro lado, o corpo A recebeu um pouco de elétrons e agora está carregado negativamente também.

 

3) Eletrização por indução

Neste caso ocorre o seguinte:

Imagine um corpo carregado negativamente e outro neutro.  Ambos estão muito afastados um do outro.
Ao aproximarmos os dois corpos ocorre a polarização das moléculas do corpo neutro.  A conseqüência disto é que as moléculas do corpo tendem a ficar alinhadas todas com seus pólos positivos para um lado e com seus pólos negativos para o outro.

É claro que se o corpo carregado estiver carregado com cargas negativas, este  atrairá o lado positivo das moléculas do corpo neutro, mas se o corpo estiver carregado positivamente irá atrair o lado negativo das moléculas do corpo neutro.

Como a força elétrica que surge da interação entre cargas depende da distância entre elas, as forças de atração entre cargas negativas e positivas será maior que a forças de repulsão entre as cargas negativas dos dois corpos.  Isso fará com que o corpo carregado atraia o corpo neutro para si.

Obs: é importante que o corpo neutro seja um bom condutor, para que as cargas possam se posicionar com facilidade dentro do corpo.

Condutores e isolantes

Como assim "bom condutor" ?

Na verdade esta movimentação dos elétrons dentro dos corpos ocorre com maior ou menor facilidade, dependendo do material.  Existem corpos que permitem o movimento dos elétrons enquanto outros não.  Isso ocorre em função do quanto estes elétrons estão ligados ao átomo.  

Átomos que apresentam os elétrons (inclusive os da última camada de valência) fortemente ligados não "deixam" que estes saiam com facilidade para "circular" pelo material.  Dizemos que o material não é um bom condutor elétrico, ou seja, é um isolante elétrico ( também chamado de dielétrico).

Por outro lado existem átomos, como os dos metais, que apresentam os elétrons da última camada fracamente ligados.  Isso permite que eles possam "circular" pelo material com maior facilidade.  Dizemos que estes materiais são condutores elétricos.

 

Vamos continuar com a experiência acima da indução.  

A Terra é um grande doador e receptor de elétrons.  Se você encostar um corpo que tenha excesso de elétrons na terra, a terra receberá os elétrons excedentes, fazendo com que o corpo fique neutro.  Mas se você encostar um corpo que tenha falta de elétrons, a terra "dará" ao corpo os elétrons necessários para que o corpo fique neutro novamente.  (esta é a função do fio terra existente em muitos aparelhos eletrônicos)

Portanto a terra neutraliza os corpos carregados que entram em contato com ela.

Mas se colocarmos um fio condutor encostado no corpo neutro polarizado, e encostarmos este fio na terra, os elétrons que estão sobrando no corpo carregado (representado em amarelo no desenho ao lado) "empurrarão" os elétrons do corpo polarizado para a Terra, fazendo-o ficar eletrizado positivamente.
Se tirarmos o fio é claro que o corpo que antes era neutro agora ficará carregado positivamente.  O que acabamos de fazer foi carregar um corpo através do processo da indução.

 

E para finalizar, observe no movimento dos elétrons descendo para a terra quando o corpo foi "aterrado".  O nome que damos quando os elétrons possuem um movimento ordenado dentro de um condutor é corrente elétrica (pois é, esta corrente elétrica que você está acostumado ouvir falar). 

Os elétrons ficam normalmente se movimentando de maneira desordenada dentro dos condutores, mas quando ligamos estes condutores da maneira como foi feito no exemplo acima, estes organizam seus movimentos, e geram uma corrente de elétrons denominada, como já vimos, de corrente elétrica.

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