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Carga Elétrica • O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo
atômico:
• Carga elétrica está relacionada a dois conceitos básicos: carga elétrica e partícula portadora de carga.
2. Partícula portadora de carga elétrica: Entende-se por portadores de cargas elétricas,
partículas que são eletricamente carregadas. Nos metais, o portador de carga elétrica negativa é
o elétron já nos fluidos, o portador de carga elétrica positivos são cátions, pois esse íons
tem prótons em excesso. Os prótons são partículas que compõe o núcleo do átomo. Ao contrário do
elétron, o próton não é uma partícula elementar, pois, são formadas por partículas denominadas quarks.
1. A propriedade: carga elétrica; a carga elétrica é uma propriedade física da matéria positiva
ou negativa.
Pela teoria atual, as menores partículas portadoras de carga elétrica, os prótons e os elétrons, são
indivisíveis. Esse fato faz com que a quantidade de carga elétrica não possa assumir quaisquer valores,
sendo possíveis somente valores múltiplos de quantidade de carga elementar (e).
Dizemos que a quantidade de carga elétrica de um corpo é quantizada.
E que A carga elétrica é conservada, ou seja nunca se observou o seu aniquilamento ou
criação
Carga Elétrica
• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo
atômico
Partícula Massa (grama)
Massa relativa
Carga elétrica (Coulomb)
Carga líquida
Próton (+) 1,7.10-24 1 +1,6.10-19 +1
Nêutron (0) 1,7.10-24 1 0 0
Elétron (-) 9,1.10-28 1/1840 -1,6.10-19 -1
Carga Elétrica
• Carga Elétrica é positiva (+) ou negativa (-)
• Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de
prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura.
• Quando, por um processor qualquer, se consegue desequilibrar o número de
prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado.
- O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso
ou em falta:
- Se o corpo possui um número de prótons maior que o de elétrons,
o corpo está eletrizado positivamente,
- se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é
dito eletrizado negativamente.
• Corpos polarizados: condutor e isolante
Qual o significado de um corpo eletricamente carregado?
Carga Elétrica
• Um fluxo ordenado de cargas positivas ou negativas, é denominado de
corrente elétrica.
• Nos condutores a corrente elétrica é produzida pelo fluxo controlado de
elétrons
• Os materiais que permitem o fluxo de carga são chamados condutores,
materiais que não permitem o fluxo de carga são denominados isolantes.
Condutores: Metais, água, NaCl fundido
• Nos materiais ionicos como sais fundidos, a condução é iônica, por ions
positivos e negativos em direções opostas
• Nos semicondutores a condução é de elétrons e de buracos (falta de elétrons
que funcionam como partículas positivas.
Como ocorre a corrente elétrica?
Processos de eletrização
Atrito
Contato
Indução
Estas noções da eletrização foram desenvolvidas antes de se conhecer a natureza atômica da carga elétrica e dos processos físicos envolvidos em condutores e isolantes.
Eletrização: condutores e isolantes
• Materiais Condutores Elétricos Elétrons quase livres: metais
• Materiais Isolantes Não possuem elétrons livres: vidro, porcelana,
plásticos
Eletrização de Condutores
Eletrização por efeito do campo elétrico
externo, sobre um condutor produzindo
separação de cargas
Eletrização de Isolantes
Eletrização por efeito do campo elétrico
externo, sobre um isolante produzindo a
polarização ou mesmo ionização superficial
Distribuição uniforme de carga Distribuição localizada da carga
Eletrização de Condutores
Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um
condutor produzindo separação de cargas
Distribuição uniforme de carga
A eletrização dos condutores resulta na polarização global do condutor, aparecendo um
campo que se opõe ao campo externo anulando o campo no interior do condutor.
Eletrização de Isolantes
Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um
isolante produzindo a polarização ou mesmo ionização
superficial
Distribuição localizada da carga
Eletrização: Modelo de eletricidade
Condutor de cobre
L= 1cm e raio 0,005 cm
Átomo de Cobre:
Z=29(prótons), N= 34(nêutrons),
29 Elétrons
Pergunta: Qual é a carga elétrica no material responsável pela condução
elétrica, e quantos elétrons participam da corrente elétrica?
Carbono e diamante
Cobre (Cúbica de Face Centrada)
Considerando um material sólido como um condutor de cobre: o próton se
encontra em posições fixas da estrutura cristalina. Nos condutores alguns
elétrons são chamados livres. Quantos são os elétrons livres no cobre?
elétrons107,854
melétrons/c
omoelétron/átmol
cmátomos/mol
5-
3
3
18222
22
23
10675,6105,8)(
105,8
1/5,6
/92,81002,6
rLnN
g
g
M
Nn
ee
Ae
Compare com a população da terra!
Condutores
Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa
facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está
muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de
valência).
Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o
que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron
(elétron livre).
Número atômico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)
K=2 2n2 = 2x12 = 2
L=8 2n2 = 2x22 = 8
M=18 2n2 = 2x32 = 18
N=1
K L M N 29P
Elétrons Livres Um condutor elétrico é um corpo que permite movimentação de cargas elétricas. A movimentação de cargas elétricas num condutor depende de partículas denominadas "portadores de cargas", como os elétrons e os íons, dependendo do estado físico do condutor.
Estado Físico Portadores de carga Exemplo
Plasma íons (+) e elétrons (-) raios; arcos elétricos; tela de TV; raios; lâmpadas
fluorescentes; etc
Gasoso íons (+) e elétrons (-) gás ionizado
Líquido íons(+) e íons(-) Água do mar; soluções iônicas
Solido "elétrons livres" condutores metálicos; semicondutores
Nos metais, os átomos que formam a rede cristalina - característica das ligações metálicas - perdem elétrons, tornando-se íons (+). Os elétrons que se libertam passam a se movimentar caoticamente com muita liberdade por toda rede, formando uma espécie de mar de elétrons ao redor dos íons (+). Estes elétrons, que não mais pertencem a um único átomo, são os "elétrons livres" que se ficarem sujeitos a um campo elétrico externo se movimentam em função da força elétrica deste campo.
Isolantes
Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não
cedem facilmente elétrons já que a sua camada de valência
está quase completa (para estar completa deveria ter 8
elétrons de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste
caso.
Estes materiais não são condutores de corrente elétrica
porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-lhes
uma grande energia para passar os elétrons de banda de
valência para a banda de condução.
Eletrização por atrito
• Série Triboelétrica:
Positivo (Perdem elétrons facilmente)
Ar
Asbestos
Pele de coelho
Vidro
Mica
Acrílico
Cabelo Humano
Nylon
Lã
Pele
Chumbo
Seda
Alumínio
Papel
Algodão
aço
Madeira
Cera
borracha
Niquel, cobre
Latão
Ouro, Platina
Enxofre
Acetato, rayon
Poliester
Stireno
Orlon
Polyurethane
Polypropylene
Vinyl (PVC)
Silicio
Teflon
Negativos (Ganham eletrons facilmente)
Eletrização por indução Elétroforo (Indução) Electrophorus
• Atrite a superfície da placa de espuma com seda.
• Coloque uma placa de alumínio com suporte isolante próximo à
paca de espuma.
•Toque o alumínio para aterramento.
•Separe as placas. Qual será a carga na placa de alumínio?
•Repita n vezes…
- - - - - -
- - - - - -
++++++++ - - - - - - - - -
++++++ ++++++
- - - - - -
Solução: As cargas negativas (elétrons), imóveis na superfície da placa de espuma,
repelem os elétrons na placa de alumínio (condutor). Quando se faz o aterramento da placa
de alumínio, os elétrons são repelidos pelo terra deixando a placa carregada positivamente.
Este processo repetido n vezes e a carga da placa de alumínio será exatamente a mesma,
permitindo realizar experimentos com carga multípla desta.
Terra
Medida da carga elétrica
• Balança de Coulomb 1777
• Eletroforo de Volta O Eletróforo é uma das mais simples máquinas de indução
eletrostática. Foi inventado em 1775, por Alessandro Volta.
A Carga elétrica é Quantizada e Conservada
Existe uma quantidade mínima de carga, que é dada pelo valor da carga do
elétron : e
Qualquer carga q deve ser um valor inteiro de cargas:
A carga Total (= carga liquida ) é conservada.
As cargas podem ser criadas:
n p+ + e- + partícula neutra, ou destruídas:
e- + e- = 2 gamas (raios-x) Entretanto, a carga liqüida não varia, pois os valores da carga do próton, elétron e
pósitron são idênticos
19
, 1,2,3,...
1.60 10 C
q ne n
e
Quantização da Carga
O que significa quantização de carga?
• Elétron - Descoberto em 1911 por Robert A. Milikan no experimento de queda de gota liquida.
• A unidade de carga, e, nunca se observou como sendo divisivel
• Exemplo: supondo uma carga de um objeto, de 1 nC (10-9 C). Quantas unidades elementares formam essa carga?
Q=N*e portanto N= Q/e = 10-9 C/ 1.6*10 -19 C/e = 6*109 = seis bilhões de unidades de carga ou elétrons.
Conservação de Carga
• O atrito não produz carga, simplesmente transfere
carga de um corpo para outro, ou melhor polariza..
• Reações nucleares 0 = e+ + e-
• Decaimento radioativo 238U92 = 234Th90 + 4He2
• Reações de alta energia e- + p+ = e- + p+ + n0
Conservação da carga elétrica é o princípio em física que estipula que a carga
elétrica não pode ser criada ou destruída
O experimento de Coulomb Charles A.Coulomb (1736 – 1806)
F = k·[q1·q2]/d2
Cargas elétricas - Unidade de carga
1 coulomb = 1 C
k = 9×109 N/C2·m2
d = distância entre as cargas em “m”
Lei de Coulomb
A medida da força na balança de Coulomb foi feita em duas etapas, na primeira Coulomb estudou a torção de fibras muito finas, encontrando a expressão para a força de torção em termos do diâmetro da fibra e do seu comprimento.
Dessa maneira, experimentalmente ele pode com-parar os torques produzidos pela repulsão entre as esferas carregadas e o torque resistente oferecido pela fibra.
Na qual b é o braço de alavanca do experimento
Para comprovar a lei basta determinar o expoente 2
Lei de Coulomb
1 2 1 2
2 2
0
1
4
q q q qF k
r r
1 2 3 ...totF F F F
212
20 22 7 -2 -10
1 1 C8.8541878... 10Nm4 10 NA 299792458 msc
9
0
18.99 10 (SI)
4k
A constante 0 é bem conhecida em termos da velocidade da luz cujo valor é
conhecido com exatidão (define o metro!) :
Esta constante é muito grande, como resultado
duas cargas de 1 Coulomb que estão a 1m entre si,
exercem uma força muito grande. Usualmente as
cargas são muito menores.
Principio da
Superposição:
F1 and F2 são um par de
ação e reação
3a lei!
r = distância = separação e não é um
raio!
Comparação de forças: Elétrica x Gravitacional
. * Para um próton,
q = 1.6 X 10-19 C
m = 1.67 X 10-27 kg
m1
m2
F elec = 1
4 0
q 1 q 2
r 2
F grav = G m 1 m 2
r 2
F elec
F grav =
q 1 q 2
m 1 m 2
1
4 0
G
F
F
elec
grav
123 10 36.
Nota: a menor força existente na natureza!
1 2 q
m1 m2
q
r
F F
Lei de Coulomb
Dimensão da carga (esférica).
Exatamente como no caso da gravitação:
Fora de uma casca de carga uniformemente distribuída,
Q, a força sobre uma casca de carga é igual aquela em
que a carga Q estivesse localizada no centro da esfera.
2r
QqkF
Princípio da Superposição
Força elétrica produzido por mais que uma carga pontual
F
F 1
F 2
-q
+q1
+q2
• Qual é a força que atua em –q, devido a
q1 e q2?
– Tal como na mecânica se aplica o
Princípio da Superposição:
– A FORÇA TOTAL, sobre um objeto é igual
à soma vetorial de todas as componentes.
F
= F 1
+ F 2
Princípio da Superposição Como se aplica a lei de Coulomb quando se consideram
mais de duas cargas?
Princípio da Superposição
Resumo: Eletrostática é baseada em quatro fatos empíricos
• Conservação da carga
• Quantização da carga
• Lei de Coulomb
• Princípio da Superposição
Na próxima aula faremos exercícios sobre estes quatro princípios!
Princípios da Eletrostática
Máquinas Eletrostáticas
• Eletroscópio
• Eletróforo
• Garrafa de Leyden
• Gerador de Van der Graaff
• Gerador de Wimshusrt
• Pistola eletrostática
http://www.coe.ufrj.br/~acmq/eletrostatica.html
Eletroscópio e Eletrômetros
http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_T05.asp
Dispositivo elétrico descoberto acidentalmente
pelo físico holandes Pieter van Musschenbroek
da universidade de Leiden em 1746, e também
inventado de forma independente pelo alemão
Ewald Georg von Kleist em 1745
Garrafa de Leiden
Foi Gilbert que denominou os
Fenômenos de atração e repulsão
por materiais atritados de fenômenos
Elétricos (da palavra grega âmbar =Elektron)
Isolantes: ÂMBAR
O âmbar é uma resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais. Embora não seja um mineral, às vezes é considerado e usado como uma gema. Sabe-se que as árvores (principalmente os pinheiros) cuja resina se transformou em âmbar viveram há milhões de anos em regiões de clima temperado. Nas zonas cujo clima era tropical, o âmbar foi formado por plantas leguminosas.
Primeira máquina eletrostá-
tica, inventada por Otto von
Guerricke (1602–1686), por
volta de 1663
Máquina eletrostática de
Wimshurst, inventada em
1883 por James Wimshrust
(1832-1903)
Máquinas Eletrostáticas
Gerador de Van de Graaff
A ) Terminal de carga: casca esférica de alumínio
B) Escova superior, serrilha de aluminio
C) Cilindro superior de suporte da correia isolante
D) Correia isolante
E) Motor
F) Escova inferior
G) Cilindro inferior