Eletrostática I - Resumo

Se fosse possível separar os prótons, nêutrons e elétrons de um átomo e lançá-los em direção à um imã, os prótons seriam desviados para uma direção, os elétrons a uma direção oposta a do desvio dos prótons e os nêutrons não seriam afetados.

Isto ocorre pois cada um possui uma carga elétrica diferente. A carga dos prótons é positiva, a dos elétrons é negativa e a dos nêutrons é neutra. A eletrostática é o ramo da física responsável pelo estudos das cargas elétricas, e é um dos temas de estudo deste bimestre de física.

HISTÓRIA

Ao longo da história, diversos cientistas pesquisaram sobre a existência das cargas elétricas. Tales de Mileto (VII a.C.) foi o primeiro, observando que o âmbar, após atritado, conseguia atrair fragmentos de palha. Então, muitos outros surgiram ao longo dos anos:

• 1600: O inglês William Gilbert  compara a Terra com um grande imã, afirmando sobre a existência de polos magnéticos no planeta. O cientista também descobre que existem substâncias além do âmbar que possuem propriedades eletrostáticas;
• 1672: O alemão Otto Von Guericke inventa a primeira máquina eletrostática;
• 1729: Stephen Gray descobre que alguns corpos tem propriedades condutoras de eletricidade;
• 1777: Charles Augustin de Coulomb consegue medir a intensidade das forças de atração e repulsão entre as cargas elétricas usando uma balança de torção, enunciando assim a Lei de Coulomb;
• 1763: Robert Simmer defende a existência de dois tipos de fluídos, onde um deles possui carga positiva e outro possui carga negativa;
• 1800: Alessandro Volta inventa  a primeira pilha voltaica;
• 1819: Hans Christian Oersted descobre que a corrente elétrica gera um campo magnético em torno de si;

O mistério da eletricidade só veio a ser resolvido em 1897, com a descoberta do elétron. Descobriu-se que, em processos de eletrização, os corpos transferem elétrons um para os outros.

CARGA ELÉTRICA

Existem dois tipos de partículas que compõem os átomos e são portadores de carga elétrica: os prótons, de carga positiva, e os elétrons, de carga negativa. 

Observa-se experimentalmente que basta um único elétron para equilibrar o efeito produzido por um próton. Logo, pode-se atribuir, em módulo, um mesmo valor para a carga do elétron e do próton, a chamada carga elétrica elementar.

Um sistema elétrico que possui o mesmo número de prótons e elétrons apresenta carga total nula. No entanto, ao atritar certos corpos, pode ocorrer uma troca de elétrons. Um corpo que possui uma diferença entre o número total de prótons e elétrons é dito eletrizado. Quando o número de prótons é maior do que o número de elétrons, o corpo está positivamente eletrizado. Caso o número de elétrons que for maior, o corpo estará negativamente eletrizado. Se o número de prótons for igual ao número de elétrons, tem-se um caso de corpo neutro.

A unidade de carga elétrica no SI é o coulomb (C), em homenagem a Charles Augustin de Coulomb. A carga elétrica elementar é determinada experimentalmente e tem valor:

CONDUTORES E ISOLANTES

Em alguns materiais, parte dos elétrons sofre fraca atração elétrica por parte do núcleo, possuindo assim liberdade de movimento. Esses materiais são chamados de bons condutores. Os materiais em que os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo e, portanto, não possuem liberdade de movimento, são chamados de bons isolantes ou dielétricos.

QUANTIDADE DE CARGA DE UM CORPO (Q)

A quantidade de carga Q sempre é múltiplo da carga elementar e, e varia de acordo com o número n de prótons ou elétrons em excesso. Assim:

Onde n pode ser positivo (excesso de prótons) ou negativo (excesso de elétrons).

EXEMPLOS

1) Um corpo possuielétrons em excesso. Calcule a quantidade de carga elétrica desse corpo.

Resposta:

ou

2) Um corpo, eletrizado com quantidade de carga Q = -32 C, possui um número total de prótons

. Calcule o número total de elétrons desse corpo.

Resposta:

3) Admita que um bastão de vidro é atritado em um pedaço de seda, ambos inicialmente neutros, de forma que o vidro ceda um número n de elétrons para a seda. Determine, em função de n e da carga elétrica elementar (e):

a) uma expressão para o valor da quantidade de carga Q adquirida pelo vidro.

Resposta:

b) uma expressão para o valor da quantidade de carga Q' adquirida pela seda.

Resposta:

c) os valores de Q e Q', sendoelétrons.

Resposta:

e

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Processos de eletrização nada mais são do que métodos utilizados para a troca de carga elétrica entre corpos. Os três principais processos são: atrito, contato e indução.

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

Quando corpos de determinados materiais são atritados, um cede elétrons e o outro os recebe. Assim, um eletriza-se positivamente e o outro eletriza-se negativamente. Isso ocorre devido à forte interação entre os dois materiais durante o atrito.

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

Colocando em contato dois corpos condutores com cargas elétricas diferentes, eles trocarão elétrons ate que atinjam o equilíbrio. Se os os corpos forem idênticos, o equilíbrio é atingido quando as quantidades de carga dos dois corpos se igualarem.

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

Se dois corpos estiverem em contato, e um bastão eletrizado positivamente se aproximar de um deles, o mais próximo do bastão receberá os elétrons do outro corpo. Logo, se os corpos forem afastados, terá-se dois corpos eletrizados, com cargas opostas. Isto ocorre pois o bastão do exemplo induziu o fluxo de elétrons de um corpo ao outro. Isto também pode ser feito com apenas um corpo e um fio terra. Assim, dependendo da carga do bastão, o corpo recebe ou perde elétrons para a Terra.

QUANTIDADE DE CARGA APÓS O EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO

Quando dois corpos idênticos carregados com quantidades de cargas diferentes entram em contato, eles realizam trocas de elétrons até possuírem quantidades de cargas iguais. Ou seja:

e

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EXERCÍCIO

Três esferas metálicas idênticas, A, B e C, possuem cargas Qa = 16C, Qb = -16C e Qc = 0, respectivamente. As esferas são colocadas em contato na seguinte sequência: A com C, B com C, A com C e B com C. Sabendo que sempre que duas esferas são postas em contato, a terceira é mantida afastada, calcule a quantidade de carga das esferas no final do processo.

Resposta: