Condutores e isolantes
4.3 Experibentos iniciais
4.3.1 Eletrização dos materiais
Primeiro, fizemos alguns testes de eletrização com vários ma- teriais, objetivando verificar se aqueles que tínhamos disponíveis apresentariam diferença na eletrização e quais ficariam mais eletriza- dos. Nas figuras 4.9 e 4.10, apresentaremos os materiais utilizados.
7 A definição de condutores e isolantes e a classificação dos materiais nessas duas categorias é discutida nas subseções 4.2.2 e 4.3.2 deste livro.
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Experimento 1
Figura 4.8 – Pêndulo completo. Nesse caso, o pêndulo foi feito com linha de seda e um disco de papel-alumínio.
A verificação da diferença de eletrização dos materiais pode ser fei- ta por meio de dois instrumentos elétricos diferentes. Uma das manei- ras de fazer isso é utilizando um eletroscópio (ver Subseção 4.2.2), uma régua de 30 cm e um apoio para a régua, como mostra a Figura 4.11a.
Nesse aparato, o zero da régua deve ficar encostado no palito de madeira do poste de sustentação do eletroscópio. Portanto, o zero da régua e a tirinha de papel de seda devem estar posicionados sobre a mesma vertical. Para verificar a eletrização, o objeto ele- trizado, segurado com a mão, é colocado sobre o marco de 30 cm da régua, na altura da ponta inferior da tirinha de papel de seda, como mostra a Figura 4.11b. Movimenta-se lentamente a mão que segura o objeto em direção ao eletroscópio, de modo que se apro- ximem. Dessa forma, em determinado momento, a tirinha deve se levantar. Então, o movimento da mão com o objeto deve cessar. Em seguida, verifica-se a distância que o objeto está do eletroscó- pio, observando sua posição sobre a régua. Como o zero da régua e a tirinha estão sobre a mesma vertical, a distância é obtida a partir da leitura direta da régua.
Figura 4.9 – Materiais utilizados para teste de eletrização: sete tipos dife- rentes de canudo de refresco; nove réguas escolares diferentes; cano (tubo) de PVC (50 cm de comprimento e 25 mm de diâ- metro); pente de plástico; tubo de plástico (brinquedo); cabide de acrílico; pote de sal de plástico duro; porta papel de acrílico; regulador de cortina persiana de acrílico; bastão de resina de cola quente; mangueirinha de chuveiro; colher de plástico; duas canetas com tubinhos de acrílico de marcas diferentes.
A segunda maneira de verificar a eletrização dos materiais é uti- lizando um instrumento que tem o mesmo princípio de funciona- mento daquele que Gray chamou de linha pendular.8 O aparato que
montamos consiste em um poste de sustentação (base de gesso +
8 Dispositivo feito com uma linha vertical presa a uma vareta de madeira. Em algu- mas situações, o instrumento era utilizado para testar se os corpos estavam eletri- zados (ver Figura 4.12). Quando feito com essa finalidade, a linha do dispositivo deve ser de material condutor elétrico (por exemplo, de linho ou algodão). O teste era feito aproximando-se um corpo da linha. Se ela fosse atraída pelo corpo, este estava eletrizado. (Assis, 2010, p.90).* Gray mencionou explicitamente que esse instrumento é mais sensível para verificar se um corpo está eletrizado do que o teste em que o corpo atrai pequenos objetos colocados sobre uma superfície: “A melhor maneira de observar essas atrações é segurando o corpo que atrai com uma das mãos e ter uma fina linha branca amarrada à extremidade de uma vareta na outra [mão]. Dessa forma, graus de atração muito menores serão percebidos do que utilizando lâminas de latão” (Gray, 1731-2b, p.289).
* A “linha pendular” parece ter sido mencionada por Gray pela primeira vez à página 228 do artigo (Gray, 1731-2a) como uma pendulous thread. A tradução desse artigo pode ser encontrada no Capítulo 8 deste livro. Uma discussão so- bre a utilização da expressão linha pendular é apresentada na Seção 4.4 deste capítulo.
STEPHEN GRAY E A DESCOBERTA DOS CONDUTORES E ISOLANTES 79 palito de madeira na vertical), um segundo palito de madeira hori- zontal preso à haste vertical, com os dois palitos formando a letra Γ, uma linha de material condutor (de algodão) presa à ponta do palito horizontal e uma régua de 30 cm apoiada sobre a base de dois postes de sustentação (o segundo poste de sustentação serve tanto de apoio para a régua quanto de referência para a movimentação da linha de algodão; ver Figura 4.13).9
Figura 4.10 – Materiais utilizados para teste de eletrização: lã comercial (pano de acrílico), meia de seda (85% poliamida), papel (toa- lha e sulfite), flanela, mangueirinha de chuveiro.
Para fazer as medidas, o objeto eletrizado deve ser colocado so- bre a extremidade direita da régua, na altura da extremidade infe- rior da linha de algodão. Então, movimenta-se lentamente o objeto em direção à linha, de forma que se aproximem até que a linha se mova por causa da atração elétrica. Nesse momento, cesse o movi- mento do objeto e verifique com a régua a distância entre a linha e o objeto. Para facilitar as medidas, deixe a marca de 10 cm da régua junto com o palito de sustentação do centro (poste de referência),
9 É fundamental que os dois palitos de madeira do suporte (na vertical e na ho- rizontal) estejam em contato para que o sistema fique aterrado. Para prender os dois palitos, pode-se utilizar fita adesiva. Certifique-se de que o instru- mento não esteja sobre uma superfície isolante.
ou seja, sobre a vertical da linha de algodão. Nesse experimento, supomos que quanto mais eletrizado um objeto esteja, maior será a distância que ele fará a tirinha ou a linha se movimentar.
(a) À esquerda, temos um eletroscópio, ao centro há um apoio para a régua (nesse caso, utilizamos uma caixa de sapato) e uma régua de
30 cm apoiada sobre a caixa.
(b) Medida sendo realizada. À direita, o canudo segurado com a mão é
aproximado do eletroscópio.
Figura 4.11 – Aparato para verificar a eletrização dos objetos.
Sendo assim, realizando um desses procedimentos com vários objetos, é possível ter uma estimativa de qual deles está mais eletriza- do. Essas são maneiras que encontramos de tentar obter algo quan- titativo para comparar a eletrização dos objetos a partir de materiais de baixo custo. Também estamos cientes de que muitos fatores po- dem influir na eletrização dos materiais e, portanto, essas medidas são bastante imprecisas. Uma forma de tentar obter resultados que pelo menos permitam ter uma ideia de qual material teria melhor eletrização é refazer os testes várias vezes, em dias diferentes. Para os objetivos desse experimento, que é a comparação entre a eletrização dos objetos, é possível utilizar qualquer um dos instrumentos, isto é, um eletroscópio ou uma linha pendular; o importante é que todos os testes sejam feitos com apenas um deles. Não se pode fazer parte dos testes com um instrumento e parte com o outro, pois a linha é mais
STEPHEN GRAY E A DESCOBERTA DOS CONDUTORES E ISOLANTES 81 sensível e as distâncias aferidas serão diferentes. O leitor interessa- do pode construir um eletroscópio eletrônico que permita detectar o tipo de carga que um objeto eletrizado apresenta (Sousa et al., 1996).
Linha vertical (a)
(b)
Vareta de madeira
Figura 4.12 – (a) Linha pendular de Gray sendo composta por uma linha condutora presa a uma vareta de madeira. (b) Linha pendu- lar sendo atraída por um tubo eletrizado.Figura adaptada de Assis (2010, p.91).
Para a realização dos testes, os materiais da Figura 4.9 foram atritados com os materiais da Figura 4.10. Foram feitos vários tes- tes em dias diferentes, as distâncias foram registradas em um ca- derno de notas. Nosso objetivo com essas medidas era verificar, de forma simples, se alguns materiais apresentariam diferença na eletrização por atrito e qual deles ficaria mais eletrizado. Apesar das medidas realizadas, vamos expor aqui apenas as nossas con- clusões com relação aos objetos que, em nossos experimentos, se mostraram mais profícuos para eletrização. Não será apresentado qualquer tratamento dos dados obtidos, pois entendemos que isso não seria razoável nem possível, tendo em vista os procedimentos
experimentais utilizados aqui. As conclusões foram tiradas a partir da comparação da média aritmética das medidas, ou seja, fizemos a média para cada material da Figura 4.9 atritado com cada material da Figura 4.10 e as comparamos. Vale ressaltar que as distâncias medidas apresentaram variações durante os testes, o que pode es- tar relacionado à umidade, à manipulação dos objetos, entre outros motivos.
Figura 4.13 – Instrumento para verificação de eletrização. À esquerda, temos um palito de sustentação vertical com um segundo palito de madeira horizontal preso a sua ponta, com os dois palitos formando a letra Γ. Na ponta do palito horizontal está presa uma linha de algodão com cerca de 20 cm. Ao centro da figura, há um segundo palito de sustentação vertical, que serve tanto de apoio para a régua quanto de referência para a movimentação da linha de algodão. Apoiada sobre a base dos postes de sustentação há uma régua de 30 cm. A linha de algodão está afastada do segundo palito de sustentação ver- tical cerca de 2 cm, para que eles não se toquem. Na figura, a linha de algodão fica evidente apenas na parte superior, pois na parte inferior ela não está visível, por causa do palito de referência à frente.
STEPHEN GRAY E A DESCOBERTA DOS CONDUTORES E ISOLANTES 83 Com relação aos materiais da Figura 4.10, concluímos que a meia de seda10 é a melhor opção para promover a eletrização dos
objetos por atrito. No entanto, em dias secos, o atrito com o pa- pel também apresenta bons resultados e pode ser utilizado nos experimentos de eletrostática sem problema.11 A maior diferença
entre a poliamida e o papel no que tange a eletrização dos objetos parece ocorrer em dias de chuva ou muito úmidos. Nessas con- dições, a poliamida apresentou melhor resultado para promover a eletrização.
No que tange a eletrização dos objetos da Figura 4.9, desta- caram-se o tubo de PVC, os canudos e as réguas. Entre os vários canudinhos testados (sete tipos diferentes), a maioria apresentou resultados semelhantes, mas um deles teve um desempenho me- lhor do que os outros, ou seja, apresentou maior eletrização quando atritado com os materiais da Figura 4.10. O canudo com melhor desempenho é mais rígido do que os outros. Aconselhamos o leitor a testar mais de um tipo de canudo e verificar qual deles apresenta maior eletrização. O mesmo ocorreu com as réguas, pois a maioria apresentou pouca variação na eletrização, mas duas delas tiveram um resultado melhor do que as outras. Essas duas réguas são de acrílico transparente (Gaspar, 2005, p.224).
O tubo de PVC atritado teve a melhor eletrização de todos os materiais, isto é, foi o objeto eletrizado que moveu a tirinha de pa- pel de seda do eletroscópio e a linha pendular à maior distância. Entretanto, é preciso levar em conta que a superfície de contato do tubo de PVC é bem maior que a do canudo e a da régua; portanto, pode haver maior acúmulo de carga e, por isso, melhor resultado para aquele tipo de aferição que fizemos. O interessante é que tan-
10 São meias para artesanato e popularmente chamadas de meia de seda. Sua composição tem 85% de poliamida. A meia calça feminina tem uma composi- ção semelhante, algumas com até 100% de poliamida. Neste livro, vamos nos referir a essas meias como poliamida.
11 Quando falamos em “bom resultado” ou “resultado razoável”, queremos di- zer que o objeto apresenta uma eletrização que permite que os experimentos de eletrostática sejam realizados de forma satisfatória, por exemplo, que ele- trize um eletroscópio.
to o PVC quanto o canudo (aquele mais rígido) atritados com po- liamida têm resultados razoáveis até em dia de chuva.
Algumas vezes, a dificuldade que tivemos para fazer os expe- rimentos em dias chuvosos foi a eletrização do eletroscópio, que pode descarregar rapidamente nessas condições de umidade. Ao carregar o eletroscópio com canudinho ou tubo de PVC atritados (esfregando o objeto eletrizado na cartolina do eletroscópio), a ti- rinha de papel de seda levanta, mas, por vezes, imediatamente co- meça a baixar, indicando perda de eletrização. Ela não permanece levantada por tanto tempo quanto em dias secos, como também aponta Assis (2010, p.161). O mesmo pode ocorrer com o pêndu- lo elétrico, que perde a eletrização rapidamente e pode dificultar a realização de experimentos que demandem que ele fique carre- gado por mais tempo. No entanto, como aponta Gaspar (2005, p.224), “a umidade do ar prejudica, mas não invalida os experi- mentos de eletrostática. É possível fazer qualquer experiência, mesmo em locais úmidos e dias chuvosos: as dificuldades poderão ser maiores e os efeitos menos notáveis que em dias mais secos, mas mesmo assim é possível obter resultados satisfatórios”.
Tentamos verificar se atritar os objetos com mais força, ou seja, apertando-os entre os dedos com mais intensidade ou com maior velocidade mudaria a eletrização, mas não foi possível concluir nada a respeito disso. O que nos parece é que o tubo de PVC fica mais eletrizado com um número maior de fricções com a poliamida. No caso dos canudos, há momentos que com um ou dois puxões (entre os dedos, com papel ou poliamida) obtém-se um efeito bom, mas há outros em que é preciso puxar (atritar) várias vezes. Não foi possível perceber nenhum padrão com relação a isso.
A literatura traz algumas sugestões quanto ao processo de atritar: para Assis (2010, p.15), a dica é “esfregar rapidamente”; para Ferreira (2001, p.20), o canudo deve ser atritado “fortemente contra o papel toalha”; no site do Projeto Ciência à Mão (Ripe, 1990, “Eletrização por Atrito: Canudo de refresco”), a instrução para eletrização do canudinho é “pressionar firmemente o papel
STEPHEN GRAY E A DESCOBERTA DOS CONDUTORES E ISOLANTES 85 contra o canudo e puxar rapidamente”; já Gaspar (2005, p.224), recomenda que “é preciso ensaiar, testar e ser persistente, pois de início nem sempre se obtêm os resultados esperados nesse expe- rimento”. Em geral, quando atritamos o tubo de PVC ou uma ré- gua, fazemos movimentos repetidos para a frente e para trás. No entanto, esse procedimento não é muito aconselhável com o ca- nudinho de refresco, pois ele não é suficientemente rígido e pode dobrar em razão dos movimentos para a frente e para trás, o que dificulta o atrito. Por isso, é preferível atritá-lo puxando-o repeti- das vezes entre a mão fechada segurando o papel ou a poliamida.
É importante destacar que, em geral, é preciso atritar constan- temente os objetos (como tubo de PVC, canudo de plástico, régua etc.), ou seja, de tempo em tempo, durante a realização dos expe- rimentos, pois há uma tendência de o material perder a eletriza- ção naturalmente. O tempo para a perda da eletrização depende de vários fatores, como as condições de umidade do ambiente, de quão eletrizado o objeto ficou após o atrito, o tipo de material que é atritado, entre outros. Além disso, o manuseio constante dos materiais os impregna com suor e gordura das mãos; assim, é importante ter disponível uma certa quantidade de canudos para poder substituí -los (Ibid., p.224). No caso de cano de PVC, ré- guas e outros corpos não descartáveis, é interessante limpá-los após certo período de uso. Assim, é importante sempre ter um versório ao lado para verificar se o objeto atritado encontra-se bem eletrizado.
Tendo em vista a discussão anterior, as formas de atritar e al- guns empecilhos mencionados, cabe ao leitor fazer seus próprios testes e verificar qual é o par de materiais mais profícuos para ele- trização e a melhor maneira de eletrizá-los.
Com a realização dos experimentos, percebemos que em alguns deles, apesar de o tubo de PVC atritado com poliamida apresentar maior eletrização, o canudo de refresco atritado com poliamida ou papel é melhor. Por exemplo, nos experimentos em que é preciso carregar o eletroscópio o canudinho nos parece melhor, pois eletriza
o instrumento tanto quanto o tubo de PVC e é muito mais fácil de manusear, tendo em vista que há maior possibilidade de derrubar o eletroscópio ao eletrizá-lo com o tubo.
Em experimentos com pêndulos elétricos, o canudinho tam- bém é de manuseio mais fácil e apresenta efeitos muito semelhan- tes aos do tubo de PVC. Mas, em outros experimentos, o tubo de PVC apresenta melhor resultado do que o canudo. É o caso, por exemplo, de um experimento em que a penugem (ou semen- te de dente-de-leão) fica oscilando entre a mão e o objeto eletri- zado, como será descrito no Experimento 15.5. Sendo assim, em determinados momentos utilizamos o tubo de PVC e em outros utilizamos um canudo, ou seja, aquele que se adapta melhor ao experimento em questão. Novamente, a sugestão ao leitor é para realizar os testes e averiguar qual é a melhor opção entre os mate- riais disponíveis.