No Volume 1 deste livro constru´ımos diversos equipamentos el´etricos, a saber, perpend´ıculos, vers´orios met´alicos, vers´orios de Du Fay, pˆendulos el´etricos, li-nhas pendulares, eletrosc´opios e coletores de carga. Dentre estes aparelhos, o mais relevante ´e sem d´uvida alguma o eletrosc´opio, j´a que ´e ele que permite a distin¸c˜ao pr´atica entre condutores e isolantes. Antes de come¸car qualquer ex-periˆencia el´etrica ou a constru¸c˜ao de qualquer instrumento ´e fundamental testar os materiais para saber como se comportam no sentido de conduzir ou n˜ao a ele-tricidade. Muitas experiˆencias n˜ao funcionam devido ao fato de que as pessoas n˜ao prestam aten¸c˜ao neste aspecto crucial. Elas podem achar, por exemplo, que uma borracha vai ser um isolante pelo simples fato de ser uma borracha. Mas na pr´atica muitas borrachas se comportam como condutoras nas experiˆencias de eletrost´atica. Caso o corpo ou instrumento que est´a sendo estudado ou uti-lizado esteja ligado ao solo por uma destas borrachas, elas v˜ao deixar escapar por aterramento qualquer carga el´etrica presente no corpo ou no instrumento.
Com isto os efeitos desejados n˜ao v˜ao existir, frustrando a pessoa que n˜ao tiver consciˆencia deste fato, sendo que ela vai ficar sem entender o que deu errado na experiˆencia ou no aparelho el´etrico que estava construindo.
O suporte que vamos usar na maioria das experiˆencias com o eletrosc´opio e com o pˆendulo el´etrico ´e feito com um copinho pl´astico de caf´e no qual fazemos um pequeno furo no fundo, passamos um colchete met´alico (de tamanho n´umero 5 ou 7, por exemplo), preenchemos com gesso mole e esperamos secar com a boca virada para cima. Depois de seco viramos o copo com a boca para baixo e com as duas pernas do colchete para cima, Figura2.1.
(a) (b) (c)
Figura 2.1: (a) Copinho pl´astico de caf´e e colchete (b) Copinho preenchido com gesso amolecido. (c) Suporte para o eletrosc´opio e para o pˆendulo el´etrico feito de copinho de caf´e, colchete e gesso.
Tamb´em podem ser utilizados outros suportes tais como um peda¸co de massa de modelar com um prego, palito, clipe ou colchete atravessando-o, sendo que o prego, palito, clipe ou colchete v˜ao ficar dentro de um canudo, apoiando o canudo na vertical.1 Tamb´em pode ser utilizada uma base de madeira, um prato ou copo de pl´astico ou de isopor com um furo no meio onde o canudo ser´a encaixado.2
Lembramos aqui o eletrosc´opio simples que usamos em todas as experiˆencias do Volume 1, Figura 2.2:3
gota de cola cartolina
canudo plástico suporte tira de papel de “seda”
Figura 2.2: Eletrosc´opio visto de frente.
A cartolina ou papel cart˜ao pode ter, por exemplo, 7 cm por 10 cm, ficando o lado maior na vertical. A tira de papel de “seda” deve ter uns 9 cm de
1[FM91, p´ag. 10], [Ferb, Material para experiˆencias em eletrost´atica, p´ags. 1-2], Se¸c˜ao 4.4 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].
2[Gas03, p´ags. 225-6].
3Se¸c˜oes 6.1 e 6.5 de [Ass10b], [Ass10a], [Ass11], [Ass15b] e [Ass17].
comprimento, sendo bem fina, com 1 a 3 mm de largura. A tira pode ser feita de papel de “seda” utilizado para construir pipas ou papagaios, ou ent˜ao para cobrir balas de coco. Estamos colocando a palavra “seda” entre aspas pois, na verdade, estes pap´eis n˜ao s˜ao feitos de seda. S´o recebem este nome por terem uma espessura muito pequena, sendo quase transparentes.
Na Figura2.3apresentamos o eletrosc´opio de frente, de costas e de perfil.
(a) (b) (c)
Figura 2.3: (a) Eletrosc´opio visto de frente. (b) De costas. (c) De perfil.
2.2.1 Principais Componentes do Eletrosc´ opio
Tanto a cartolina quanto o papel de “seda” comportam-se como condutores nas experiˆencias de eletrost´atica. J´a o canudo pl´astico que sustenta a cartolina comporta-se como isolante, sendo o elemento mais importante do eletrosc´opio.
E ele que impede a fuga de cargas para a Terra quando o eletrosc´´ opio est´a eletrizado. Tamb´em o ar seco funciona como um isolante. Na Figura2.4 apre-sentamos as principais componentes de um eletrosc´opio.
Se em vez do canudo de pl´astico tiv´essemos um palito de madeira de chur-rasco ou ent˜ao um arame, o eletrosc´opio eletrizado se descarregaria para a Terra atrav´es do palito ou do arame. Isto ´e, n˜ao seria poss´ıvel manter o eletrosc´opio carregado depois de ter sua cartolina raspada com uma r´egua previamente ele-trizada. Um espeto de madeira ou um arame comportam-se como condutores na eletrost´atica.
2.2.2 Compara¸ c˜ ao entre o Eletrosc´ opio de Folhas de Ouro e o Eletrosc´ opio Feito com Materiais de Baixo Custo
Os livros did´aticos apresentam usualmente o eletrosc´opio quando discutem con-dutores e isolantes, ou quando mencionam a eletriza¸c˜ao por indu¸c˜ao ou po-lariza¸c˜ao. Normalmente eles citam apenas o eletrosc´opio de folhas de ouro,
condutor
isolante condutor
Figura 2.4: Composi¸c˜ao de um eletrosc´opio.
mostrando figuras ou fotos do instrumento. Este eletrosc´opio possui duas folhas m´oveis que se abrem quando est˜ao eletrizadas. Estes livros usualmente n˜ao ex-plicam como fazer um eletrosc´opio com material simples e facilmente acess´ıvel.
Contudo, o eletrosc´opio apresentado nesta Se¸c˜ao funciona perfeitamente bem. Ele ´e muito sens´ıvel. Sua tirinha de papel de “seda” levanta facilmente com uma pequena eletriza¸c˜ao do instrumento. Ela ´e muito leve e est´a presa `a cartolina apenas pela gota de cola na parte superior, com o restante da tirinha podendo se afastar da cartolina sem que haja qualquer impedimento, basta que o eletrosc´opio fique um pouco eletrizado. O canudo pl´astico ´e um excelente iso-lante, garantindo a preserva¸c˜ao de qualquer carga adquirida pelo instrumento, especialmente em dias secos e frios.
A grande vantagem deste instrumento simples em rela¸c˜ao ao eletrosc´opio com folhas de ouro ´e que ele pode ser facilmente constru´ıdo pelo professor ou at´e mesmo por cada aluno. O custo ´e essencialmente nulo. O instrumento
´e muito sens´ıvel e com ele podem ser feitas in´umeras experiˆencias. Este fato confere uma grande autonomia aos alunos, fazendo com que se apoderem deste conhecimento.
Um aluno normalmente n˜ao vai pensar em construir um eletrosc´opio de fo-lhas de ouro j´a que deve ser muito caro simplesmente por conter ouro. S´o o nome j´a sugere algo cient´ıfico e dif´ıcil de ser feito, j´a que n˜ao ´e um material qualquer. Muitos podem at´e mesmo pensar que h´a v´acuo no interior do re-cipiente de vidro que envolve o eletrosc´opio. Este fato faz com que os alunos fiquem ap´aticos diante da explica¸c˜ao fornecida pelos livros did´aticos, n˜ao esti-mulando sua criatividade, n˜ao sugerindo que eles pr´oprios podem construir este instrumento ou tentar as experiˆencias com suas pr´oprias m˜aos.
2.2.3 O Eletrosc´ opio e a Descoberta dos Raios C´ osmicos
Para ilustrar a importˆancia do eletrosc´opio vamos falar da descoberta dos raios c´osmicos. H´a muito tempo se sabia que um eletrosc´opio eletrizado ´e
descarre-gado lentamente no ar. Uma das causas da condutividade do ar ´e a presen¸ca de ´ıons na atmosfera, ou seja, de part´ıculas eletrizadas. Desde 1896 Henri Bec-querel (1852-1908) havia verificado que sais de urˆanio emitiam raios ionizantes que aumentavam a condutividade do ar. Os raiosγ (radia¸c˜ao eletromagn´etica de alta frequˆencia), em particular, possuem esta caracter´ıstica ionizante. Eles penetram at´e uma certa distˆancia no ar quando ent˜ao interagem com ´atomos neutros, ionizando-os. Para saber a origem da ioniza¸c˜ao do ar, no in´ıcio do s´eculo XX come¸caram a ser feitas pesquisas sobre a condutividade atmosf´erica em diferentes altitudes. A maioria dos pesquisadores da ´epoca acreditava que a origem da radia¸c˜ao ionizante estava no interior da Terra devido `a presen¸ca de substˆancias radioativas. Um trabalho fundamental neste campo foi feito pelo f´ısico austr´ıaco-estadunidense Victor Franz Hess (1883-1964). Suas pesquisas sobre os raios c´osmicos foram feitas principalmente entre 1911 e 1913. Fez voos de bal˜ao neste per´ıodo levando consigo eletrosc´opios desenvolvidos por Theodor Wulf (1868-1946) no qual a eletriza¸c˜ao ´e indicada pela separa¸c˜ao entre dois fios condutores. Eletrizava estes eletrosc´opios at´e uma separa¸c˜ao espec´ıfica entre os dois fios condutores e media o tempo que levava para serem descarregados em fun¸c˜ao da altitude. Chegou a voar at´e 5,3 km acima do n´ıvel do mar. Hess encontrou que o n´ıvel de radia¸c˜ao diminu´ıa at´e uma altitude de aproximada-mente 1 km, aumentando consideravelaproximada-mente desde ent˜ao, podendo chegar a duas vezes o n´ıvel da radia¸c˜ao a n´ıvel do mar quando estava a 5 km de altura.
Concluiu ent˜ao que a radia¸c˜ao vinha do espa¸co, n˜ao tendo origem terrestre.
Voou tamb´em durante um eclipse solar e `a noite, encontrando que o n´ıvel da radia¸c˜ao era muito pr´oximo do valor durante o dia, concluindo que a fonte n˜ao era o Sol. Sua conclus˜ao final foi que a radia¸c˜ao penetrando a atmosfera vinha do espa¸co, sendo esta radia¸c˜ao chamada ent˜ao de ultra-radia¸c˜ao. O nome atual de “radia¸c˜ao c´osmica” foi introduzido por Robert A. Millikan em 1925. Millikan foi outro pesquisador dos raios c´osmicos e do efeito fotoel´etrico, tendo recebido o prˆemio Nobel em 1923 pela medida da carga do el´etron, como discutido na Subse¸c˜ao1.2.1. Hess recebeu o prˆemio Nobel de f´ısica em 1936 pela descoberta da radia¸c˜ao c´osmica, compartilhando-o com Carl David Anderson (1905-1991), f´ısico estadunidense, que descobriu o p´ositron em 1932.
O eletrosc´opio foi essencial na cria¸c˜ao de uma nova ´area de pesquisa em f´ısica, a saber, a radia¸c˜ao c´osmica.