TÓPICO 01: CARGA ELÉTRICA

Veja as notícias publicadas nos Jornais O Povo, edição de 15/03/07 e TV

Canal 13, edição de 27/03/2008, sobre carga elétrica. Clique nos jornais

abaixo para ver as notícias:

VERSÃO TEXTUAL

JORNAL 1 – ACIDENTE DE TRABALHO MATA TRÊS PESSOAS EM CAUCAIA

Três trabalhadores morreram e três ficaram feridos ontem, em

consequência de um choque elétrico.

O acidente aconteceu na empresa Ancar Veiculos Especiais, em

Caucaia, Região Metropolitana de Fortaleza, enquanto os homens

estavam afastando um andaime de ferro, para proceder a pintura de

uma parede da fábrica. O andaime estava próximo a um poste de alta

tensão, de 13.800 volts, que fica no interior do imóvel. Eles não

perceberam a proximidade com os fios e, com o contato, os operários

foram vitimados pela corrente elétrica. O acidente ocorreu por volta

das 9 horas.

As seis vítimas foram socorridas pelas equipes só SOS Caucaia e

levadas para o Hospital Municipal. O coordenador do SOS, Edemir

Saraiva, diz que os feridos tiveram o quadro estabilizado e dois deles

foram transferidos. Um dos proprietários da empresa, Ângelo

Nicolleti, foi encaminhado para um hospital particular. O funcionário

Marcelo Cassimiro de Freitas foi enviado para o Instituto Doutor José

Frota (IJF), enquanto Manoel Domingos de Oliveira permaneceu no

Hospital de Caucaia. Os três sofreram queimaduras nos pés e nas

mãos.

Os Corpos de Francisco Djacir Pereira, 29, Paulo Ricardo de Lima

Moreira, 31, e Antônio Anderson Silva de Ávila, 19, até as 16 horas de

ontem, ainda permaneciam no hospital.

JORNAL 2 – BRASIL: RAIO ATINGE PROFESSOR NO MARANHÃO

O professor maranhense José Ferreira de Araújo, pegava carona

na rodovia MA - 127, em São João do Sóter (MA) quando foi atingido

pela descarga. Dos 50 milhões de raios que caem no Brasil, 70% se

concentram no verão.

Ficar em campos abertos como jardins, praias ou mesmo na rua

durante tempestades é um grande risco para a população.

"As dicas são as de sempre: se abrigar em lugar fechado, evitando

principalmente contato com aparelhos elétricos e falar ao telefone com

fio", afirma Pinto Júnior. Em menos de três meses as mortes

provocadas por raios no Brasil chegaram bem perto do mesmo

número registrado durante todo o ano de 2007. Até esta terça-feira,

FÍSICA III

AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB

25, as descargas atmosféricas tinham causado 45 mortes no País

contra 46 no ano passado, segundo o Grupo de Eletricidade

Atmosférica.

Essas notícias e muitas outras desse tipo, que você lê ou ouve no seu dia

a dia, são diretamente relacionadas à eletricidade. Mas espere um pouco, não

pense que a eletricidade é uma fonte de tragédias. Na verdade, sem ela a vida

seria muito difícil.

Você já imaginou alguma vez em sua vida, como seria o mundo sem

eletricidade? Não é possível imaginar uma coisa dessas não é? A eletricidade

nos cerca por todos os lados. Seria muito difícil viver em um mundo sem

lâmpadas elétricas, geladeiras, ferro elétrico, televisor, computador, enfim,

sem todos esses confortos da vida moderna que dependem diretamente da

eletricidade para poder funcionar.

OLHANDO DE PERTO

A eletricidade está envolvida em fenômenos muito mais importantes

do que o funcionamento de equipamentos elétricos. A eletricidade está na

origem e no desenvolvimento da própria vida.

A eletricidade está envolvida profundamente no processo de

fecundação do ser humano, na atividade do coração e do cérebro.

A ELETRICIDADE NA ORIGEM, DESENVOLVIMENTO E MELHORIA DE NOSSAVIDA

NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO

NA ATIVIDADE CEREBRAL

NA ATIVIDADE CARDÍACA

NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO

NO PROGRESSO DA MEDICINA

NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO

No processo de fecundação apenas um espermatozoide penetra o oócito

e neste exato momento, uma contra ordem elétrica é produzida na

membrana que se fecha, impedindo a entrada de qualquer outro. A entrada

do espermatozoide no oócito provoca uma reação cujo efeito é alterar as

características elétricas da membrana plasmática provocando sua

despolarização. Esse processo é muito rápido e impede, temporariamente,

que novos espermatozoides fundam a sua membrana com a do oócito.

Portanto, a Eletricidade é um dos processos responsáveis pela fecundação.

Para saber mais sobre esse assunto veja:

Como funciona a reprodução humana [2] (Craig C. Freudenrich, Ph.D.)

NA ATIVIDADE CEREBRAL

Agora mesmo, enquanto você estuda esta aula, as células do seu cérebro

estão trabalhando para que você consiga desempenhar a sua tarefa. A

atividade cerebral ainda não é completamente entendida, mas certamente

ela envolve uma atividade elétrica. Seja qual for a nossa atividade: o bater do

nosso coração, o movimento de um músculo, um piscar de olhos, o ato de

respirar, sempre acarretará a presença de uma corrente elétrica através dos

neurônios. A tensão elétrica decorrente dessa corrente equivale a mais ou

menos 5% da tensão produzida por uma pilha AAA. A medida da atividade

cerebral é feita através do eletroencefalograma (EEG) que mede a

propagação do estímulo nervoso no cérebro através de eletrodos colocados

na cabeça do paciente.

NA ATIVIDADE CARDÍACA

Para que o coração funcione, bombeando o sangue arterial para todo o

organismo, é necessário que as suas células sejam inicialmente ativadas por

um estímulo elétrico que comanda o funcionamento do coração. A atividade

elétrica gerada no coração é captada por meio de eletrodos colocados em

determinadas posições padronizadas no nosso corpo, considerando que o

corpo humano é um bom condutor de eletricidade. Esta atividade elétrica é

mostrada no eletrocardiograma que, assim, pode ser definido como o

registro gráfico da atividade elétrica do coração.

NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO

Se, por algum motivo o ritmo normal do coração for perturbado, o

coração deve ser assistido através do uso de um marcapasso artificial. O

marcapasso é um sistema de estimulação elétrica que consiste em um

gerador de pulsos e um eletrodo. O gerador de pulsos elétricos é um circuito

eletrônico miniaturizado e em uma bateria compacta. O marcapasso está

apto a reconhecer ou perceber a atividade cardíaca. Quando o marcapasso

não capta nenhuma pulsação natural, libera um impulso elétrico. Como

resultado, o músculo cardíaco contrai-se. O marcapasso é ligado ao coração

através de um ou dois eletrodos. O eletrodo é um fio condutor muito fino,

eletricamente isolado, que é colocado diretamente no lado direito do

coração. É através destes fios que os impulsos elétricos são transportados até

o coração. Para saber mais sobre este assunto veja, por exemplo:

Marcapasso Cardíaco - vamos conhecê-lo [3]

NO PROGRESSO DA MEDICINA

Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero – Uma Pesquisa

desenvolvida por cientistas da Universidade de Arkansas, nos Estados

Unidos, resultou em um teste cuja finalidade é medir os sinais elétricos do

cérebro de um feto. Essa pesquisa pode, um dia, ajudar os médicos a

proteger os bebês de lesões ocorridas ainda no útero de suas mães.

Para saber mais sobre esse assunto veja:

Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero [4]

OLHANDO DE PERTO

Como você pode ver, este é um assunto importante demais e você,

como futuro professor de Física, precisa conhecê-lo a fundo para que em

um futuro próximo possa mostrar aos seus alunos que a Eletricidade não é

um choque.

Mas o que é eletricidade? De onde ela vem?

CARGA ELÉTRICA

A origem da eletricidade é muito antiga. Sete séculos antes do

nascimento de Cristo, na Grécia, o filósofo Tales de Mileto [5] observou um

fenômeno curioso. Ao esfregar um pedaço de âmbar em um pedaço de lã, ele

notou que o âmbar adquiria a capacidade de atrair objetos leves como

pequenos pedaços de palha e fragmentos de madeira. A origem dessa atração

está ligada a uma propriedade da matéria chamada CARGA ELÉTRICA.

ÂMBAR

Um tipo de resina vegetal fóssil, de uma espécie de pinheiro já

desaparecida há milhões de anos, tem uma cor amarela

semitransparente e, por combustão, exala um aroma muito agradável.

Com o passar do tempo, a resina perdeu água e ar, e as substâncias

orgânicas que a constituíam sofreram o que os químicos chamam de

polimerização: a resina endureceu e se transformou naquilo que

conhecemos como âmbar.

Hoje podemos dizer que o âmbar adquiria uma carga elétrica, isto é,

tornava-se carregado.

DICA

A palavra eletricidade vem da palavra grega elektron que quer

dizer "âmbar".

OLHANDO DE PERTO

A carga elétrica, assim como a massa é uma propriedade intrínseca da

matéria.

OS DOIS TIPOS DE CARGAS ELÉTRICAS

Você não precisa voltar no tempo à época de Tales de Mileto para

observar os fenômenos da eletricidade. Em sua casa mesmo você poderá

fazer esta experiência muito simples:

Você só vai precisar de um pente de plástico, uma flanela e um pedaço

de papel cortado em pedaços bem pequenos.

Então, vamos começar?

1 - Esfregue rapidamente, várias vezes o pente na flanela.

2 - Segure o pente com dois dedos, evite tocá-lo diretamente com a

mão. Encoste o pente no papel, levante-o com cuidado e observe: alguns

pedaços ficam grudados no pente!

3 - Você também pode levantar seu cabelo (seco), aproximando o

pente da cabeça.

Outra experiência fácil de ser feita, para a qual você só precisa de:

- Um tubo de vidro (um tubo de ensaio, por exemplo);

- Um pedaço de seda ou lã;

Como fazer: Esfrega-se vigorosamente o pedaço de seda no tubo de

vidro, tomando o cuidado de fazê-lo sempre na mesma região.

Em seguida, separamos os dois (vidro e seda) e notamos que há entre

eles uma força de atração, em decorrência das cargas de sinais contrários

no vidro e na seda.

Fonte [6]

Se você aproximar o bastão de vidro depois de esfregado com a seda,

daquele pente da experiência anterior, verá que os dois, pente e bastão se

atraem, mas entre o pente e o pedaço de seda haverá uma repulsão.

Essas experiências e muitas outras semelhantes a elas mostram que

existem dois tipos de interação: repulsão e atração, o que nos conduz à

suposição que existem dois tipos de carga: um tipo de carga acumulado no

pente e outro tipo acumulado no bastão de vidro.

Como você sabe, antigamente não existia o plástico. Os pentes eram

feitos de resina, por exemplo.

Aos dois tipos de carga, deu-se o nome de "vítrea" para as que

aparecem no vidro e de "resinosa" para as da resina. Foi Benjamin Franklin

[7] (1706-1790) quem escolheu chamar a carga que surgiu no vidro de

positiva e no pente de negativa. Essa denominação é usada até hoje.

Para compreender a existência de tipos diferentes de cargas vamos dar

uma olhada na estrutura do átomo.

A ESTRUTURA DO ÁTOMO

Os átomos são formados por três tipos diferentes de partículas: os

prótons e os nêutrons que constituem o núcleo e os elétrons que circundam

o núcleo.

Fonte [8]

Os prótons têm carga positiva (+ e), os elétrons carga negativa (– e) e

os nêutrons, como o nome indica, não têm carga elétrica.

Um átomo é eletricamente neutro, isto é as cargas positivas têm o

mesmo valor que as cargas negativas dos elétrons. Quando um elétron

abandona o átomo, vencendo a força de atração do núcleo, o átomo que

perdeu uma carga negativa, fica carregado positivamente.

Se o elétron livre ligar-se a outro átomo, esse átomo agora

adquire uma carga total negativa.

Tanto a falta como o excesso de elétrons, deixam o átomo com um

desequilíbrio de carga. Os átomos que apresentam desequilíbrio de carga

se chamam íons.

Dos estudos de Millikan [9] e Thomson [10] ficou estabelecido que o

módulo da carga negativa do elétron é exatamente igual ao módulo da carga

positiva do próton.

DICA

De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são

mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três

partículas ainda menores. Para saber um pouco sobre assunto, acesse:

quarks [11].

Quando um corpo é eletrizado há um desequilíbrio entre suas cargas

elétricas causado, em geral, pela perda ou ganho de elétrons.

A carga nunca é criada nem destruída.

Os elétrons têm maior mobilidade do que os prótons que estão presos no

núcleo, por isso é mais fácil transferir elétrons de um corpo para outro.

Você está se iniciando no estudo da Eletrostática.

ELETROSTÁTICA

A Eletrostática (do grego elektron + statikos que significa

estacionário) é o ramo da Física que estuda as propriedades e o

comportamento das cargas elétricas em repouso em relação a um

sistema inercial de referência. Generalizando, a Eletrostática estuda os

casos de equilíbrio dos corpos carregados.

Você já ouviu falar que os opostos se atraem? É exatamente isso que

acontece na natureza, (com relação à Eletricidade) a carga positiva (+) atrai a

carga negativa (–) e vice-versa.

PARADA OBRIGATÓRIA

Lei de Du Fay [12]:

Cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se

atraem.

OLHANDO DE PERTO

A unidade de carga no sistema SI é o Coulomb, em homenagem a

Charles Augustin de Coulomb [15].

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Podemos eletrizar um corpo por três maneiras:

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

Esse processo é conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e consiste

em se atrair corpos inicialmente neutros. Com o atrito ocorre a transferência

de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica

eletrizado positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se

negativamente. Você vai aprender, ainda nesta Aula 1, que a carga sempre se

conserva.

Lembra da experiência com o pente?

Na fricção do pente com a flanela, o atrito faz com que ele ganhe mais

carga negativa (-). Por conservação da carga a flanela fica carregada

positivamente.

No caso do bastão de vidro atritado com a seda ocorre uma transferência

de elétrons do bastão para a seda.

Fonte [16]

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

O corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente

carregado.

Colocando-se em contato dois condutores, um neutro B e o outro

eletrizado A, o corpo neutro B se eletriza com carga de mesmo sinal que A.

Considere que A está eletrizado positivamente. Ao entrar em contato

com B, ele atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua eletrizado

positivamente, mas com carga menor e B, que estava neutro, fica eletrizado

positivamente.

Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm

Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de

mesmo sinal.

OBSERVAÇÃO

É importante não esquecer o princípio da conservação das cargas

elétricas: a quantidade de cargas elétricas antes do contato é igual

à quantidade de cargas elétricas depois do contato.

Se os dois corpos forem absolutamente idênticos, no final da experiência

eles ficarão com a mesma quantidade de carga elétrica, que será determinada

pela média aritmética da quantidade de cargas antes do contato.

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

Na eletrização por atrito e por contato, é necessário que haja contato

físico entre os corpos. Na eletrização por indução o contato não é necessário.

Deve haver um condutor carregado que será o indutor e os condutores

neutros serão os induzidos.

Considere três condutores, um carregado eletricamente e outros dois

neutros e encostados um no outro.

Fonte: Adaptado de http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u39.jhtm

Aproxime o condutor carregado dos condutores neutros.

Durante a aproximação, ocorre uma separação de cargas nos condutores

neutros. Como o indutor é positivo, o corpo (induzido) que está mais

próximo do indutor ficará negativo e o outro corpo (induzido) que está mais

afastado ficará positivo.

Agora com o indutor ainda próximo, separe os dois condutores que

estão juntos. Finalmente retira-se o indutor das proximidades dos outros

dois corpos. Você terá como resultado os dois condutores que inicialmente

estavam neutros, agora carregados com cargas de sinais opostos.

Note que não houve, em nenhum momento, o contato entre o condutor

carregado (indutor) e os condutores inicialmente neutros (induzidos). Por

isso esse processo é chamado de indução.

O condutor que provoca a indução, é denominado indutor e o

condutor que sofre indução, é denominado induzido.

Em um processo de indução envolvendo apenas dois

condutores (um indutor e um induzido) o induzido sempre se

eletriza com carga de sinal contrário ao da carga do indutor.

DESAFIO

No processo de indução que você viu acima, como ficariam as cargas

dos induzidos se eles tivessem, cada um, o dobro do tamanho do indutor?

Os aparelhos que servem para verificar se um corpo está eletrizado são

chamados de eletroscópios.

Os eletroscópios podem ser de vários tipos:

PÊNDULO ELÉTRICO

Imagem adaptada [18]

Como o próprio nome indica esse instrumento é um pêndulo, feito de

uma esfera sem carga (neutra), um fio de seda (isolante) e uma haste.

Ele funciona da seguinte maneira:

Se aproximarmos um corpo da esfera e ela for atraída por ele, então

esse corpo estará carregado. Se nada acontecer, então este corpo estará

neutro, isto é, descarregado.

Fonte

As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma

experiência eletrostática usando um eletroscópio de pêndulo.

Fonte [19]

Tente explicar o que está acontecendo em cada uma das situações

mostradas acima

ELETROSCÓPIO DE FOLHAS

Esse é o tipo de eletroscópio mais usado. Ele é formado por uma haste

metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica, e na parte

inferior a duas folhas metálicas bem finas. As duas folhas são mantidas no

interior de um recipiente que pode ser uma garrafa de vidro.

Se você quer saber se um corpo está eletrizado, deve aproximar o

corpo da esfera. A esfera, a haste e as duas lâminas eletrizam-se com cargas

de mesmo sinal que a do corpo. As duas folhas repelem-se, já que têm

cargas de sinais iguais.

Fonte [20]

DESAFIO 2

Por que você não tenta construir o seu próprio eletroscópio?

DESAFIO 3

Tente mais este desafio:

Sendo dadas duas esferas de metal montadas em suporte portátil de

material isolante, invente um modo de carregá-las com quantidades de

cargas iguais e de sinais opostos. Você pode usar uma barra de vidro

atritada com seda, mas ela não pode tocar as esferas. É necessário que as

esferas sejam do mesmo tamanho, para o método funcionar?

DESAFIO 4

Com o que você aprendeu neste tópico, tente resolver mais este

desafio!

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. 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. Qual é o item abaixo que

corresponde às cargas das esferas?

Não se esqueça de justificar suas respostas.

FÓRUM

Com base nos conhecimentos adquiridos neste tópico, discuta com os

seus colegas e seu professor a seguinte questão:

É possível atrairmos pedacinhos de papel com um canudinho de

plástico, previamente atritado com flanela. Explique os fenômenos

elétricos que permitem tal experiência se os pedacinhos de papel estavam

eletricamente neutros.

EXERCITANDO

Antes de você começar a resolver os exercícios, é bom ver antes alguns

exemplos resolvidos. Clique aqui (Visite a aula online para realizar

download deste arquivo.) e acesse a lista de Exemplos Resolvidos da Aula

01-Tópico 01.

FONTES DAS IMAGENS

1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer2. http://saude.hsw.uol.com.br/reproducao-humana.htm

3. http://departamentos.cardiol.br/gecesp/coluna/06.asp4. http://www.saudeemmovimento.com.br/reportagem/noticia_exibe.asp?cod_noticia=7585. http://pt.wikipedia.org/wiki/Tales_de_Mileto6. http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Letiano/ATRITO.jpg7. http://pt.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin8. http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/gifs/atomo.jpg9. http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan10. http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=9&idSubSecao=&idTexto=1611. http://pt.wikipedia.org/wiki/Quark12. http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Du_Fay13. http://www.adobe.com/go/getflashplayer14. http://www.adobe.com/go/getflashplayer15. http://e-escola.tecnico.ulisboa.pt/site/personalidades.asp?nome=coulomb-charles-augustin-de16. http://www.oocities.org/informacao_us/atrito.jpg17. http://www.adobe.com/go/getflashplayer18. http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/eletricidade/basico/cap01/fig16.gif19. http://br.geocities.com/jcc5000/oqueeelectroscopio.html20. http://www.fisicaecidadania.ufjf.br/conteudos/eletricidade/eletroscopios.html21. http://www.denso-wave.com/en/

Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior

Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual

TÓPICO 02: CONDUTORES E ISOLANTES

Fonte [1]

Fonte [2]

Fonte [3]

Veja esse eletricista fazendo o seu trabalho. Qual dos dois alicates

mostrados, você acha que ele deve estar utilizando? É quase certo que você

responderá que o eletricista deve usar o alicate amarelo, pois está isolado.

Com o outro alicate ele levaria um choque.

Esta é uma situação tão corriqueira, que a maioria das pessoas nem para

pra pensar quanta Física tem nesse simples ato do eletricista usar um alicate

com isolamento. Você vai aprender sobre esse assunto neste tópico.

PARADA OBRIGATÓRIA

Alguns materiais possibilitam a movimentação das cargas elétricas de

uma região para outra, enquanto outros impedem o movimento das

cargas.

Os materiais que permitem o movimento de cargas elétricas através

dele, são chamados de condutores. Um exemplo de condutores são

os metais.

FÍSICA III

AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB

Os isolantes não permitem o movimento de cargas através deles.

CONDUTORES

Nos átomos dos metais, a última órbita eletrônica perde um elétron

com muita facilidade. Estes elétrons que se soltam das últimas órbitas

eletrônicas podem mover-se livremente através do material. Por isso diz-se

que os metais possuem elétrons livres. O movimento dos elétrons livres

produz a transferência de carga através do metal.

Um exemplo de condutor é o sódio, cujo número atômico Z é igual 11,

ou seja, ele tem 11 prótons no seu núcleo e 11 elétrons se estiver neutro. A

figura abaixo mostra, em uma representação bem simples, o processo do

transporte das cargas elétricas através do sódio.

Fonte [4] (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.)

PARADA OBRIGATÓRIA

Nos metais a condução de eletricidade se dá por meio dos elétrons

livres.

O elétron é a partícula responsável pela carga elétrica negativa do átomo

e também responsável pelo processo de condução de eletricidade nos metais.

ELÉTRON

Características do elétron:

• Massa: 9,11x10-31 kg

• Massa em unidades de massa atômica: 5,49x10-4 uma (1 uma =

1,66x10-27 kg)

• Razão massa do próton/massa do elétron: 1840

• Carga elétrica: – 1,60x10-19 C

• Razão carga/massa (em módulo): 1,76x1011 C/kg

OLHANDO DE PERTO

Nem todos os condutores são metálicos. Existem outras categorias de

condutores: os eletrólitos (soluções aquosas de ácidos, bases e sais), os

gases rarefeitos, os corpos dos animais, o nosso próprio corpo.

ISOLANTES

Os materiais que não permitem a movimentação das cargas no seu

interior são chamados ISOLANTES.

Em um isolante não existem elétrons livres e a carga elétrica não pode

ser transferida através do material.

Exemplos de isolantes: vidro, louça, porcelana, borracha, ebonite,

madeira seca, baquelite, algodão, seda, lã, parafina, enxofre, resinas, água

pura e ar seco.

OLHANDO DE PERTO

Os isolantes são também chamados dielétricos.

SEMICONDUTORES

Uma classe intermediária é a dos SEMICONDUTORES. São

materiais que possuem propriedades intermediárias entre as de um bom

condutor e as de um bom isolante.

Sem dúvida não estaríamos usando nossos

computadores neste momento caso a área de física

de semicondutores não tivesse se desenvolvido

enormemente nas últimas décadas. O que seria de

todos nossos equipamentos eletrônicos super

modernos, compactos e portáteis se os físicos que

trabalham na área de matéria condensada não

tivessem desenvolvido e aperfeiçoado os

transistores? E quanto às diversas aplicações do

laser que observamos na medicina, indústria e até

mesmo em nossos aparelhos de DVD.

Fonte [5]

Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o

Germânio (Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção

atualmente.

LEITURA COMPLEMENTAR

Para um maior aprofundamento nesse assunto, você pode ver o

capítulo 21 do livro Fundamentos de Física, Halliday/Resnick, Vol.3, 7ª

edição.

Para saber mais sobre o elétron e sua descoberta, acesse o link

Descoberta do Elétron [6]

DESAFIO

Com base na sua experiência prévia, liste os materiais que você

considera como bons condutores e os que são isolantes.

CURIOSIDADES

◾ Você sabia que se um motorista dirigir seguidamente por muito tempo, ao sair do carro pode sofrer um choque causado pela eletricidade estática?

PARE SABER COMO, CLIQUE AQUI

O veículo ficando muito tempo em atrito com o ar acumula a

carga elétrica (o atrito arranca elétrons - cargas negativas - do metal

do veículo, que fica assim com prótons - as cargas positivas - a

mais), e o motorista acaba fazendo a ligação entre as partes

metálicas e o solo, ao colocar os pés no chão. Para isso ocorrer, o ar

precisa estar bastante seco, como ocorre nos países de clima frio,

durante o inverno.

◾ Você sabia que os caminhões-tanque possuem correntes que arrastam pelo chão para descarregar a eletricidade estática do veículo?

PARE SABER O PORQUÊ, CLIQUE AQUI

Isso evita uma eventual explosão do combustível transportado.

◾ Você sabia que nas corridas de Fórmula 1, por exemplo, os boxes das equipes têm o chão revestido de chapas flexíveis de cobre?

PARE SABER O PORQUÊ, CLIQUE AQUI

Porque elas retiram as cargas positivas da lataria dos carros de

corrida, restabelecendo o equilíbrio elétrico, como se fosse um fio-

terra. Assim, o reabastecimento dos veículos pode ser feito em

segurança.

FONTES DAS IMAGENS

1. http://eletricatotal.files.wordpress.com/2010/04/9492b_3.jpg 2. http://www.casaferramentas.com.br/wp-content/uploads/2010/08/Alicate-Universal-Profissional-ELETRICISTA-BELZER.jpg3. http://thumbs2.ebaystatic.com/d/l225/m/m6VoNjIOHGYKiLaiSlvbqoQ.jpg 4. http://szfisica.pro.br/parte4/eletrostatica1.pdf5. http://incertezaemprincipio.wordpress.com/2007/11/24/semicondutores6. http://www.infoescola.com/fisica/descoberta-do-eletron/7. http://www.denso-wave.com/en/

Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior

Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual

TÓPICO 03: FORÇA ELÉTRICA: A LEI DE COULOMB

Você já viu no tópico anterior que corpos carregados atraem-se ou

repelem-se dependendo do sinal de suas cargas. Mas, o que faz com eles se

aproximem ou se afastem?

Certamente essa pergunta deve ter incomodado muitos cientistas no

passado. Um deles foi o francês Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806)

que encontrou em 1785, a resposta que hoje é uma lei que leva o seu nome.

LEI DE COULOMB

Para explicar a interação entre corpos carregados Coulomb mediu, em

1785, o valor das forças elétricas de atração e repulsão entre pequenas

esferas carregadas. Para isso ele desenvolveu um aparelho chamado

balança de torção que consiste de um mecanismo muito sensível ao torque,

ou seja, se o corpo for atraído ou sofrer algum tipo de repulsão esta balança

pode calcular a grandeza da força que provocou esse torque.

O cientista francês Charles Coulomb conseguiu estabelecer

experimentalmente uma expressão matemática que nos permite calcular o

valor da força entre duas partículas carregadas.

Resultados obtidos experimentalmente por Coulomb:

◾ A intensidade da força elétrica é diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas.

◾ A intensidade da força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas.

PARADA OBRIGATÓRIA

Se duas cargas puntiformes Q1 e Q2 estão separadas pela distância

d, a LEI DE COULOMB diz que o módulo da força entre elas é:

onde k = 9x109 N m2/C2 é a constante eletrostática do vácuo.

A lei de Coulomb, que expressa a força elétrica entre duas cargas

puntiformes, pode ser expressa em um gráfico, como mostrado na figura

abaixo:

FÍSICA III

AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB

PARADA OBRIGATÓRIA

A Lei de Coulomb é válida somente para partículas, isto é, para corpos

cujas dimensões são muito menores do que a distância de separação entre

eles. Costuma-se dizer também que partículas carregadas são cargas

puntiformes.

A CONSTANTE ELETROSTÁTICA

A constante k é chamada de constante eletrostática e está relacionada

com as propriedades elétricas do meio. Comumente ela é expressa em

termos de outra constante, a permissividade elétrica do meio representada

pela letra gregaε.

No Sistema Internacional ( SI ) a constante k é dada por:

ε é a constante de permissividade elétrica do vácuo:

Na resolução dos problemas numéricos, nos contentaremos com o

valor aproximado de ε

No Sistema SI a constante eletrostática no vácuo, k0, é dada por

OLHANDO DE PERTO

Lembre-se que força é uma grandeza vetorial. A direção da força que

qualquer uma das cargas exerce sobre a outra é sempre ao longo da linha

reta que liga as duas cargas: a força elétrica é uma força central.

FORÇAS DE REPULSÃO

FORÇAS DE ATRAÇÃO

: Força que a carga 2 exerce sobre a carga 1

: Força que a carga 1 exerce sobre a carga 2

OLHANDO DE PERTO

Esta notação é arbitrária, você poderá encontrar a força que a carga 2

exerce sobre a carga 1 escrita assim:

PARADA OBRIGATÓRIA

A força elétrica obedece à Terceira Lei de Newton (lei da ação e

reação).

Aproveite para fazer uma revisão das Leis de Newton.

Eletrostática, isso tem alguma utilidade?

O PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO

As grandes indústrias lançam toneladas de poluentes na atmosfera

através de suas chaminés. Na Vila Parisi, situada dentro do parque

industrial de Cubatão, na Baixada Santista, os 4 mil habitantes sofriam

graves doenças respiratórias. Casos de anencefalia (crianças nascidas sem

cérebro) eram atribuídos à poluição.

A força elétrica pode ser utilizada para diminuir essa poluição

atmosférica causada pelas chaminés das indústrias ou para filtrar o ar de

nossas casas.

Fonte [4]

Grande parte dos poluentes expelidos pelas chaminés das indústrias é

formada por partículas sólidas muito pequenas. A maneira mais eficaz de

limpar a fumaça é usar um precipitador eletrostático. A fumaça ou ar

contaminado passa através de eletrodos carregados que eletrizam as

partículas poluentes. Em seguida elas são recolhidas por placas eletrizadas

com cargas opostas. A placa coletora por ter carga contrária à carga das

partículas poluentes, as atrai, fazendo com que essas partículas se

depositem em sua superfície, limpando o ar. A figura abaixo mostra um

esquema simplificado do processo.

Fonte [5] (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.)

A COPIADORA XEROX

Quantas cópias Xerox você já tirou na sua vida? Nem dá para contar

não é? Você sabia que as máquinas copiadoras tipo Xerox funcionam

graças aos processos de eletrização?

Fonte [6]

CURIOSIDADE

Xerografia significa escrita a seco. Hoje em dia todo mundo fala

apenas Xerox. Mas a cópia Xerox foi inicialmente chamada de

eletrofotografia. O nome foi alterado depois para xerografia, do grego

Xerox = seco e grafia = escrita.

UMA COPIADORA XEROX FUNCIONA ASSIM:

1º PASSO

O cilindro é previamente eletrizado (carregado);

2º PASSO

A luz incide no original e atinge o cilindro carregado. As partes claras

do original (refletem mais luz) e descarregam as partes do cilindro que ela

atinge. As partes escuras do original (refletem menos luz) não

descarregando as partes correspondentes no cilindro;

3º PASSO

Adiciona-se o toner que vai se fixar nas partes que permaneceram

carregadas no cilindro em concentração proporcional à carga existente

naquelas partes;

4º PASSO

Ao passar a folha em branco o toner, após leve aquecimento, é

transferido ao papel onde termina por aderir completamente e

reproduzindo a imagem do original, com partes claras e escuras

correspondente às quantidades de toner fixado no cilindro. É por este

motivo que em dias úmidos ou se o papel não estiver seco as cópias tendem

a ser de má qualidade.

OLHANDO DE PERTO

O inventor da fotocopiadora foi o químico Chester F. Carlson [7].

A Lei de Coulomb pode ser aplicada para mais de duas cargas?

Para responder a esta pergunta, veja o exemplo abaixo envolvendo 3

cargas puntiformes. O procedimento é simples: as forças são calculadas

separadamente para cada par de cargas e o resultado é dado pela soma

vetorial das forças atuantes.

As forças sobre a carga q2, por exemplo, são F12 exercida pela carga 1 e

F32 exercida pela carga 3. A força resultante sobre a carga q2 é a soma

vetorial das duas forças, isto é:

DESAFIO

Você pode descobrir quais são as forças sobre as outras cargas?

VEJAMOS MAIS UM EXEMPLO

Fonte [8]

Se você quer determinar a força total que as cargas q2 e q3 exercem

sobre a carga q1, deve calcular separadamente as forças F12 e F13 usando a

lei de Coulomb, como você já viu. A força resultante é dada pela soma

vetorial de ambas:

O módulo da força resultante sobre a carga q1 você calcula usando o

Teorema de Pitágoras:

DESAFIO

Da mesma forma você pode determinar a força total atuando nas

outras cargas, q2 e q3. Vamos tentar?

FORÇAS ELÉTRICAS E GRAVITACIONAIS NO ÁTOMO

Imagine que a figura abaixo representa um átomo de hidrogênio: Um

elétron de carga –e girando em torno do núcleo de carga +e:

Temos aqui um caso de atração eletrostática entre as duas cargas de

sinais contrários, aonde a força coulombiana desempenha o papel da força

centrípeta que mantém o elétron no seu movimento circular em torno do

núcleo.

CURIOSIDADE

Você sabia que houve um tempo em que muitos cientistas respeitáveis

não acreditavam na existência dos átomos?

ELES NÃO ACREDITAVAM NA EXISTÊNCIA DO ÁTOMO

JEAN BAPTISTE DUMAS

O notável químico francês Jean Baptiste Dumas, por exemplo,

proclamou: " Se eu fosse dono da situação, eu faria desaparecer da

Ciência o termo átomo, persuadido de que ele ultrapassa a experiência, e

que, na química, nunca devemos ultrapassar a experiência."

KEKULÉ

O químico alemão Kekulé, famoso por sua descoberta do anel do

benzeno (que ele supostamente, interpretou de maneira puramente

simbólica), encontrou, para dizer sobre o átomo, as seguintes palavras:

" A questão da existência do átomo é pouco significativa sob o ponto de

vista químico; sua discussão pertence mais à metafísica. Na química,

devemos apenas decidir se o reconhecimento dos átomos constitui uma

hipótese condizente com o esclarecimento dos fenômenos químicos."

MARCELIN BERTHELOT

"E quem já viu uma molécula de gás ou um átomo?" aguilhoava o

químico Marcelin Berthelot.

Atualmente ninguém mais duvida da existência dos átomos e podemos

utilizar a eletrostática para determinar a força que mantém unidos os

elétrons ao núcleo dos átomos.

VEJAMOS MAIS UM EXEMPLO

Vamos determinar a força entre o elétron e o núcleo do mais simples

dos átomos, o átomo de hidrogênio.

Você pode comparar na tabela abaixo os valores de carga elétrica e

massa das partículas fundamentais do átomo. A massa do elétron é cerca

de 1840 vezes menor do que a do próton.

Partícula Próton

Carga (C) + 1,6 x 10-19

Massa (Kg) - 1,6 x 10-19

Para um átomo de hidrogênio a distância entre o elétron e o núcleo

(próton) é aproximadamente 5,3 10-11 m.

Calculando as forças gravitacionais e elétricas entre o próton e o elétron:

FORÇA ELÉTRICA (EM MÓDULO)

FORÇA GRAVITACIONAL (EM MÓDULO)

COMPARANDO OS VALORES

FORÇA ELÉTRICA (EM MÓDULO)

FORÇA GRAVITACIONAL (EM MÓDULO)

COMPARANDO OS VALORES

Você pode ver com isso como a força elétrica é muito mais forte do que a

gravitacional.

MULTIMÍDIA

Entre neste site:Física Interativa [10] onde você poderá assistir a uma

aula interativa, COM ÁUDIO, sobre:

◾ Processos de eletrização

◾ Condutores e Isolantes

◾ Eletrização por contato

◾ Eletrização por indução

◾ Lei de Coulomb

MULTIMÍDIA

Acesse este site:

Física Interativa [11] para ver a solução, COM ÁUDIO, de um

exercício envolvendo a Lei de Coulomb. É muito interessante!

EXEMPLOS RESOLVIDOS

Antes de começar a resolver as suas atividades de portfólio, treine

com estes exemplos resolvidos.

Acesse no material de apoio a lista de exemplos resolvidos da aula 01-

tópico 03 (Visite a aula online para realizar download deste arquivo.).

FONTES DAS IMAGENS

1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer2. http://www.adobe.com/go/getflashplayer3. http://www.adobe.com/go/getflashplayer4. http://bp0.blogger.com/_LsNSsZKIVs4/SI4NQ0J9AZI/AAAAAAAAAJY/Q7AKSBts-SI/s200/cubatao.jpg5. http://szfisica.pro.br/parte4/eletrostatica1.pdf6. http://marcioleitaoexpress.files.wordpress.com/2011/05/fotocopiadora.jpg?w=6457. http://pt.wikipedia.org/wiki/Chester_Carlson8. http://www.mspc.eng.br/elemag/img01/eletr_carga03.png 9. http://www.adobe.com/go/getflashplayer10. http://www.fisicainterativa.com/vestibular/eletrostatica/player.html11. http://www.fisicainterativa.com/vestibular/eletrostatica/player.html12. http://www.denso-wave.com/en/

Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior

Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual

TÓPICO 04: CONSERVAÇÃO E QUANTIZAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA

CONSERVAÇÃO DA CARGA

Quando um corpo é eletrizado não há criação de cargas no processo. Se

um dos corpos cede certa carga negativa ao outro, ele ficará carregado

positivamente, com a mesma quantidade de carga cedida ao outro. Isto é

coerente com a observação de que a matéria neutra, isto é, sem excesso de

cargas, contém o mesmo número de cargas positivas ( -- (prótons no núcleo

atômico) ) e negativas ( -- (elétrons).) .

PARADA OBRIGATÓRIA

Lei da conservação da carga elétrica: A carga não pode ser criada nem

destruída. Podemos transferir carga de um corpo para outro, mas a carga

total de um sistema isolado permanece inalterada.

DICA

A Lei da conservação da carga é tão poderosa que se aplica a todos os

fenômenos envolvendo cargas elétricas. Desde o simples esfregar de um

pente com uma flanela a uma reação nuclear no interior de uma bomba

atômica.

DESAFIO

Se você acessar este site: Conservação da carga elétrica [1] você verá a

sugestão de uma experiência cujo objetivo é mostrar que quantidades

iguais de cargas positivas e negativas são sempre geradas

simultaneamente.

QUANTIZAÇÃO DA CARGA

No século XVIII, acreditava-se que a carga elétrica era um fluido

continuo. No início do século XX, Robert Millikan (1868-1953) com sua

experiência da gota de óleo [2] mostrou que a carga de um corpo é sempre

um múltiplo inteiro de uma carga fundamental.

PARADA OBRIGATÓRIA

LEI DA QUANTIZAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA:

A carga de um corpo eletrizado é sempre um múltiplo inteiro de uma

carga fundamental.

OLHANDO DE PERTO

O valor da carga do elétron e = 1,6021917 x 10-19 C é uma das

constantes fundamentais da natureza.

FÍSICA III

AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB

QUANTIZAÇÃO

O termo quantização teve origem com o desenvolvimento da Física

Moderna. Uma grandeza é quantizada, ou discreta, quando não assume

valores contínuos.

As grandezas físicas são ditas quantizadas quando entre os valores que

ela pode assumir existem valores que são proibidos.

Quando você estudar o átomo de hidrogênio na disciplina de

Princípios de Física Moderna, você aprenderá que a menor energia que um

elétron pode possuir ao orbitar em torno de um núcleo de hidrogênio é

-13,6 eV.

Quando o átomo é excitado o elétron poderá saltar para o nível

seguinte (-3,4 eV), mas jamais possuirá uma energia intermediária. Todos

os valores de energia entre -13,6 eV e -3,4 eV estão proibidos! Por isso

dizemos que a energia é QUANTIZADA.

Talvez uma comparação com o cotidiano o faça entender melhor essa

questão da quantização. Que tal falarmos de dinheiro? Disso todo mundo

entende não é?

Imagine que você tem R$ 100,00 no bolso. Você já parou pra pensar

que não importa se você tem R$ 1,00, R$ 100,00 ou R$ 1.000.000,00,

qualquer quantidade de dinheiro é sempre múltipla da unidade mínima da

nossa moeda que é R$ 0,01? Isso mesmo, um centavo! Não existe moeda

menor do que essa. Nesse sentido R$ 0,01 é um quantum do nosso

dinheiro.

Qualquer quantidade de dinheiro (QD) pode ser escrita como:

QD = n 0,01

Onde n é um inteiro

Se o valor de n é grande ou pequeno, isso já é outra questão!

CURIOSIDADE

A palavra QUANTUM é originária do latim e significa quantidade de

algo. Quantum é um termo genérico que significa uma quantidade,

usualmente elementar, unitária, de algo de natureza qualquer, abstrata ou

concreta.

O plural de QUANTUM é QUANTA.

ATIVIDADE DE PORTFÓLIO

Agora resolva os exercícios (Visite a aula online para realizar

download deste arquivo.) e coloque-os no seu portfólio como parte das

atividades da aula 1.

FONTES DAS IMAGENS

1. http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_45.asp2. http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/PHYSICA/Millikan/millikan.htm3. http://www.denso-wave.com/en/

Responsável: Prof. José Milton Pereira Júnior

Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual