2.7 Circuito de Teste
3.1.2 Corpos que se Comportam como Condutores ou Isolantes
Ao realizar atividades como as Experiˆencias 3.3 e 3.4 com diversos materiais obtemos os seguintes resultados:2
• Condutores para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
Ar ´umido, corpo humano, todos os metais, papel, cartolina, papel de alum´ınio, papel de “seda,” papel˜ao, madeira, algod˜ao, giz, boa parte dos vidros `a temperatura ambiente, porcelana, parede, lousa, corti¸ca, farinha de trigo, fub´a, fio de acr´ılico, sal, a¸c´ucar, serragem, couro, terra, tijolo, alguns tipos de borracha, sabonete, gelo, etc.
• Principais isolantes para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
Ar seco, seda, resinas naturais como o ˆambar e resinas sint´eticas como os pl´asticos em geral.
Experimentalmente verifica-se que existe um n´umero muito maior de subs-tˆancias condutoras do que de substˆancias isolantes. A partir destas duas listas conclui-se que a maior parte dos materiais comporta-se como um condutor, bem poucos materiais comportam-se como isolantes. Entre os condutores alguns s˜ao muito bons, descarregando o eletrosc´opio quase que instantaneamente, como ´e o caso do corpo humano, dos metais, do algod˜ao ou do papel. Embora a madeira seja condutora, ela n˜ao conduz t˜ao bem quanto os metais ou o corpo humano.
Isto ´e indicado pelo maior tempo necess´ario para descarregar o eletrosc´opio quando o tocamos com a madeira, comparado com o tempo muito curto quando o tocamos com nosso corpo ou com algum metal.
Entre as substˆancias isolantes temos essencialmente o ar seco, a seda (linha ou pano), as resinas naturais (ˆambar, copal, laca ou goma-laca), assim como as resinas sint´eticas (pl´asticos em geral, PVC, n´ailon ou poliamida, poli´ester, acr´ılico, isopor, etc.)
Os pl´asticos foram uma grande inven¸c˜ao do s´eculo XX. A primeira resina sint´etica, a baquelite, foi criada por Leo Hendrik Baekeland (1863-1944), sendo apresentada `a Sociedade Americana de Qu´ımica em 1909. Ele ´e usualmente
2Cap´ıtulo 6 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].
considerado o pai da ind´ustria qu´ımica. Estas resinas receberam o nome gen´erico de “pl´astico” pois podiam ser fundidas e moldadas na forma desejada. Al´em destas substˆancias, podemos citar como isolantes alguns vidros aquecidos, a l˜a, um fio de cabelo, uma barra de chocolate, caf´e em p´o, parafina e outros tipos de borracha (diferentes das borrachas condutoras).
Estas duas listas n˜ao devem ser aceitas de forma irrestrita. Cada pessoa deve construir seu eletrosc´opio e testar ela pr´opria diferentes materiais. O motivo para este cuidado ´e que existem muitos fatores que podem afetar o comporta-mento condutor ou isolante de qualquer substˆancia. Entre estes fatores citamos a composi¸c˜ao qu´ımica do corpo, impurezas superficiais, processo de fabrica¸c˜ao, idade do material etc.
Damos aqui apenas um exemplo. Um tubo de PVC em geral comporta-se como um bom isolante, n˜ao descarregando um eletrosc´opio eletrizado. Uma vez constru´ımos um gerador eletrost´atico gotejante de Kelvin utilizando tubos de PVC como isolantes.3 Tivemos de fazer mais de uma montagem at´e que funcio-nasse. Descobrimos que em uma das montagens que n˜ao funcionou o problema era um tubo de PVC que est´avamos usando achando que era isolante. Depois verificamos que este tubo em particular comportava-se como condutor. N˜ao chegamos a investigar o motivo deste comportamento anˆomalo deste tubo de PVC particular. Ao ser trocado por um outro tubo que foi previamente testado como sendo um bom isolante, tivemos sucesso na montagem e na produ¸c˜ao da fa´ısca com este gerador.
Experiˆencia 3.5 - Tocando um eletrosc´opio carregado com ´agua
Podemos verificar por um procedimento similar quais l´ıquidos s˜ao conduto-res ou isolantes. Antes de come¸car a experiˆencia, pega-se um copo ou um pote vazio que depois ser´a preenchido com o l´ıquido a ser testado. ´E melhor que o recipiente seja condutor. Para verificar isto, carrega-se um eletrosc´opio, segura-se o copo ou pote com a m˜ao e toca-segura-se o copo na parte superior da cartolina do eletrosc´opio. Caso a tirinha abaixe, isto vai significar que o copo ou pote ´e de fato condutor. Exemplos de condutores s˜ao copos de metal ou de madeira. Al-guns tipos de copos de vidro tamb´em se comportam condutores na temperatura ambiente. Pode-se ent˜ao prosseguir a experiˆencia.
Inicialmente o copo ´e cheio at´e a borda com o l´ıquido que se quer testar.
Vamos ilustrar o que ocorre no caso de um l´ıquido condutor como a ´agua de torneira. Isto est´a ilustrado na Figura3.6.
Neste caso temos na Figura3.6(a) um eletrosc´opio carregado, seguro apenas por seu canudo, sem tocarmos em sua cartolina ou na tirinha de papel de “seda”.
Afunda-se uma quina do eletrosc´opio eletrizado em um copo cheio de ´agua at´e a borda. Deve-se evitar de tocar com a cartolina no copo. No caso da ´agua, observa-se que a tirinha abaixa imediatamente ap´os o toque, Figura3.6(b). Ao retirarmos o eletrosc´opio da ´agua, observa-se que a tirinha permanece abaixada, Figura3.6(c).
O eletrosc´opio eletrizado foi descarregado ao entrar em contato com a ´agua.
3[Cam06], [CA08] e Se¸c˜ao 7.12 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].
(a) (b) (c)
.Figura 3.6: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Afunda-se uma quina da cartolina em um copo cheio de ´agua, observando-se que a tirinha abaixa. (c) Ao retirar o eletrosc´opio da ´agua, a tirinha continua abaixada.
Experiˆencia 3.6 - Tocando um eletrosc´opio carregado com ´oleo vegetal Na Figura3.7ilustramos o que ocorre no caso de um l´ıquido isolante como o ´oleo vegetal de cozinha. Na Figura3.7 (a) temos um eletrosc´opio carregado, seguro apenas por seu canudo, sem tocarmos em sua cartolina ou na tirinha de papel de “seda”. Afunda-se uma quina do eletrosc´opio eletrizado no recipiente cheio de ´oleo at´e a borda. Deve-se evitar de tocar com a cartolina no recipiente.
Neste caso observa-se que a tirinha permanece afastada da cartolina, Figura3.7 (b). Ao retirarmos o eletrosc´opio do ´oleo observa-se que a tirinha permanece levantada, Figura 3.7(c).
(a) (b) (c)
.Figura 3.7: (a) Eletrosc´opio inicialmente carregado. (b) Afunda-se uma quina da cartolina em um copo cheio de ´oleo vegetal at´e a borda, observando-se que a tirinha permanece levantada. (c) Ao retirar o eletrosc´opio do ´oleo, a tirinha permanece levantada.
O eletrosc´opio eletrizado n˜ao foi descarregado ao entrar em contato com o
´oleo de cozinha.
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Ao realizar atividades como a Experiˆencia 3.5 e 3.6 obtemos os seguintes resultados:4
• L´ıquidos condutores para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
Agua de torneira, ´´ agua oxigenada, ´agua de-ionizada, ´agua destilada, ´agua sanit´aria, soro fisiol´ogico, ´alcool, xampu, querosene, leite, refrigerante, cacha¸ca ou vodca, detergente, molho de soja shoyu, vinagre, sabonete l´ıquido, mel, cola, amaciante de roupa, esmalte sint´etico (para pintar ma-deira ou metal), tinta acr´ılica de parede, ´oleo sint´etico automotivo, etc.
• L´ıquidos isolantes para experiˆencias comuns de eletrost´atica:
Parafina derretida e a maior parte dos ´oleos.
Ou seja, quase todos os l´ıquidos encontrados no dia a dia comportam-se como condutores. Entre os isolantes temos essencialmente os ´oleos em geral (´oleos vegetais de soja ou de canola, azeite de oliva, ´oleo de m´aquina, ´oleo mineral, ´oleo de peroba tipo lustra-m´oveis, etc.). A exce¸c˜ao ´e o ´oleo sint´etico automotivo que se comporta como condutor nas experiˆencias de eletrost´atica.
O mesmo procedimento usado para testar quais l´ıquidos s˜ao condutores ou isolantes, pode ser usado para testar a condutividade das farinhas. Ou seja, um recipiente condutor ´e cheio com a farinha a ser testada. Afunda-se uma quina do eletrosc´opio carregado na farinha e ´e observado se sua tirinha abaixa ou n˜ao.
Os cuidados principais s˜ao o de evitar que a quina do eletrosc´opio toque no recipiente condutor e no nosso corpo.
Experiˆencia 3.7 - Corpo eletrizado atraindo um filete de ´agua
Agora vamos ver o efeito do ˆambar atritado ao chegar perto de l´ıquidos.
Nestas experiˆencias utilizamos uma r´egua de acr´ılico atritada ou um canudo pl´astico atritado no lugar do ˆambar atritado. Novamente o ideal ´e aproximar um canudo (estando ou n˜ao atritado) do l´ıquido, mas sem que exista o toque entre ambos.
Abre-se uma torneira e deixa-se escorrer de forma cont´ınua um fino filete de ´agua, Figura 3.8(a). Aproxima-se um canudo de pl´astico neutro do filete e nada acontece, Figura3.8(b).
Agora atrita-se o canudo e repete-se a experiˆencia. Neste caso observa-se que o filete de ´agua curva-se visivelmente no sentido do canudo, Figura3.8(c)!
Isto ´e mais facilmente observado quando aproximamos o canudo atritado da parte superior do filete, onde a ´agua tem uma velocidade menor. Algumas vezes a atra¸c˜ao ´e t˜ao grande que o filete de ´agua encosta no canudo. A experiˆencia tamb´em funciona com a ´agua caindo em gotas, sendo o efeito mais facilmente observado com o canudo pr´oximo das gotas mais lentas.
Algo an´alogo acontece ao aproximarmos um pl´astico atritado de um filete de leite, detergente, ´alcool, querosene, xampu, soro fisiol´ogico ou de todos os
4Cap´ıtulo 6 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].
(a) (b)
FF FF FF
(c)
Figura 3.8: (a) Filete de ´agua. (b) O filete n˜ao ´e atra´ıdo por um canudo pl´astico neutro em suas proximidades. (c) Um canudo atritado atraindo o filete de ´agua.
l´ıquidos classificados como condutores na Se¸c˜ao3.1. Ou seja, todos estes filetes s˜ao claramente atra´ıdos pelo pl´astico atritado. Eles n˜ao s˜ao atra´ıdos por um pl´astico neutro.
Experiˆencia 3.8 - Corpo eletrizado atraindo um filete de ´oleo vegetal
Repetimos a Experiˆencia3.7tentando agora atrair um l´ıquido isolante como o ´oleo de cozinha. Deixa-se cair um filete de ´oleo de uma lata ou de um copo com ´oleo, Figura3.9(a). Ao aproximarmos um canudo de pl´astico neutro, nada acontece, Figura3.9 (b). Atrita-se o canudo e ele ´e novamente aproximado do filete de ´oleo, observando-se uma pequena atra¸c˜ao, Figura3.9(c).
(a) (b)
FF FF FF
(c)
Figura 3.9: (a) Filete de ´oleo. (b) O filete n˜ao ´e atra´ıdo por um canudo pl´astico neutro em suas proximidades. (c) Um canudo atritado atraindo fracamente o filete de ´oleo.
Observa-se que embora o filete de ´oleo seja atra´ıdo por um canudo eletrizado, a curvatura ´e bem menor do que no caso dos l´ıquidos condutores da Experiˆencia 3.7. Isto ´e, a curvatura da ´agua na Figura3.8(c) ´e maior do que a curvatura do ´oleo na Figura 3.9 (c) supondo que o canudo esteja `a mesma distˆancia da vertical passando pelo local de onde a ´agua e o ´oleo come¸cam a cair.
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As Experiˆencias 3.7 e 3.8 mostram que a atra¸c˜ao exercida por um corpo eletrizado sobre um condutor ´e bem maior do que sobre um isolante.5 Suponha que temos duas substˆancias, uma condutora e uma isolante, do mesmo tamanho, peso e formato. Vamos supor ainda que elas sejam colocadas `a mesma distˆancia de um corpo eletrizado. As experiˆencias mostram que a substˆancia condutora sofrer´a uma for¸ca de atra¸c˜ao maior do que a isolante, sendo estas for¸cas exer-cidas pelo mesmo corpo eletrizado. Podemos extrair uma regra pr´atica destas experiˆencias, a saber, que se um corpo eletrizado atrai visivelmente substˆancias leves, ent˜ao estas substˆancias leves v˜ao comportar-se como condutoras para as experiˆencias usuais de eletrost´atica (ou seja, v˜ao descarregar um eletrosc´opio eletrizado ao tocar na cartolina enquanto s˜ao segurados pela m˜ao).
O inverso tamb´em se aplica. Isto ´e, as substˆancias que descarregam um eletrosc´opio v˜ao ser aquelas que ser˜ao atra´ıdas com grande for¸ca por um corpo eletrizado. J´a as substˆancias isolantes que n˜ao descarregam um eletrosc´opio eletrizado v˜ao ser pouco atra´ıdas por um corpo eletrizado.