Física no Liceu
Professor Mário Paulo
Eletrostática
Estudo das cargas elétricas em repouso.
O âmbar, resina sólida fossilizada das árvores, provavelmente possibilitou algumas das primeiras experiências científicas que o ser humano realizou. Quando se esfrega um pedaço de âmbar em pele de animal ou em um pedaço de lã, ele se torna capaz de atrair objetos leves, como a pena que aparece na foto. essa atração, estranha propriedade adquirida pelo âmbar (elektron, em grego), foi a origem de uma nova área da Física — a eletricidade. o estudo das propriedades iniciais da eletricidade e da lei que descreve a interação eletrostática é o assunto deste capítulo.
Embora muito antiga, a hipótese de o átomo ser o constituinte elementar da matéria só foi definitivamente aceita no início do século XX. Com ela, veio a descoberta de partículas elementares portadoras de carga elétrica que compõem o átomo. Provisoriamente podemos afirmar que o átomo é composto de elétrons (partículas que contêm a carga elementar negativa, dispostas em camadas que se assemelham a nuvens que envolvem o núcleo do átomo) e prótons (partículas de carga elétrica positiva, localizadas no núcleo), apesar de a concepção atual do átomo ser bem mais elaborada. Na figura ao lado, por exemplo, que mostra um esquema da concepção moderna de um átomo de sódio, a superfície das esferas laranja e a dos balõezinhos verdes indicam as regiões, chamadas orbitais, onde o elétron tem maior probabilidade de estar.
A carga elétrica e a eletrização
Embora não saibamos o que seja carga elétrica, conhecemos suas inúmeras
características e propriedades:
• Princípio da conservação da carga elétrica: a carga elétrica total de um sistema
eletricamente isolado é constante.
• A carga elétrica é quantizada, isto é, seu valor é múltiplo do valor da carga elétrica
elementar — a carga e do elétron.
• Existem dois tipos de carga elétrica, uma chamada negativa e outra
chamada positiva.
• Cargas elétricas de mesmo tipo repelem-se; de tipos diferentes
atraem-se.
• Em todo átomo, o número de elétrons (portadores da carga
elementar negativa) é igual ao número de prótons (portadores da
carga elementar positiva); portanto, todo átomo é eletricamente
neutro.
Tipos de eletrização
Eletrização por atrito
A eletrização por atrito ocorre quando esfregamos dois
corpos de materiais diferentes, inicialmente neutros. Na
eletrização por atrito cada corpo fica com carga elétrica
diferente.
Eletrização por contato
De acordo com a Física moderna, os átomos
e as moléculas que constituem os materiais
têm estruturas diferentes que lhes dão
diferentes
propriedades.
Uma
dessas
diferenças é a força de atração que exercem
sobre os elétrons que se localizam nas
camadas mais distantes dos núcleos.
A tabela abaixo apresenta a série triboelétrica, relação de materiais que coloca, em sequência, aqueles que têm maior capacidade de ceder ou receber elétrons.
Dessa forma, é possível eletrizar dois corpos
simultaneamente colocando-os em contato muito
próximo. O corpo que adquire elétrons torna-se eletricamente negativo; o que perde elétrons torna-se eletricamente positivo.
Eletrização por indução
Eletrizar um corpo por indução é fazer com que ele adquira ou perca elétrons a distância, sem ação direta. No
processo de indução não há contato direto entre os corpos. Basta aproximar um corpo carregado, o indutor,
de um corpo neutro a ser carregado, o induzido. O induzido deve estar ligado temporariamente à Terra ou a
um corpo maior que lhe forneça elétrons ou que dele os receba, num fluxo provocado pela presença do
indutor. Caso contrário, o induzido apenas se mantém eletricamente polarizado enquanto o indutor estiver
presente.
Nas figuras, A é o indutor, corpo
carregado positiva ou negativamente, e B,
o induzido, corpo eletricamente neutro. T
representa um corpo maior, de material
condutor (a Terra, por exemplo). A
presença de A junto ao corpo B provoca a
separação das cargas de B; o corpo B fica
polarizado (a). Ligando-se B à Terra,
sobem elétrons para B se A estiver
positivamente carregado, ou escoam
elétrons de B para a Terra se A estiver
negativamente
carregado
(b).
Interrompendo-se a ligação de B com a
Terra,
ele
torna-se
eletricamente
carregado (c).
Exercícios
1. Uma experiência clássica da Eletrostática está representada nas figuras a seguir:
Um bastão de vidro e um de ebonite, atritados respectivamente com seda e lã, são aproximados de dois outros
bastões dos mesmos materiais, também atritados com seda e lã e pendurados horizontalmente por fios
isolantes. Em a, o bastão de vidro atritado com seda repele o outro bastão de vidro também atritado com seda,
mas atrai o bastão de ebonite atritado com lã. Em b, o bastão de ebonite atritado com lã atrai o bastão de vidro
atritado com seda, mas repele o bastão de ebonite atritado com lã.
Resolução
a) Quanto aos pares de corpos atritados de mesmo material, pode-se concluir que as cargas elétricas adquiridas são de mesma espécie e que cargas elétricas de mesma espécie se repelem, pois os dois bastões de vidro atritados com seda e os dois bastões de ebonite atritados com lã se repelem. Por outro lado, a atração entre os bastões de vidro e os de ebonite mostra que as cargas elétricas que eles adquirem não são de mesma espécie. Essas observações permitem duas conclusões:
• Existem duas espécies de eletricidade: a adquirida pelo vidro atritado com seda e a adquirida pela ebonite atritada com lã.
• Cargas elétricas de mesma espécie se repelem e de espécies diferentes se atraem.
b) Sendo a carga elétrica do vidro positiva, como a eletrização foi conseguida por atrito, a carga elétrica da seda é negativa. Se a ebonite atritada com lã é atraída pelo vidro, a sua carga elétrica é negativa. Logo, a carga elétrica da lã, com a qual a ebonite foi eletrizada por atrito, é positiva.
a) Que conclusões é possível tirar dessa experiência
em relação às propriedades das cargas elétricas?
b) Sabendo-se que a carga adquirida pelo vidro é
positiva, qual a carga elétrica de cada corpo (ebonite,
seda e lã) descrito na experiência?
2. Você pode fazer uma experiência simples e interessante. Esfregue um canudo de refresco com lenço de papel ou papel higiênico (não esfregue muito forte para não deformar o canudo, nem muito fraco para que haja um bom contato entre os corpos). Depois, coloque-o junto à parede. Você vai notar que o canudo gruda na parede (veja a foto). Explique o que acontece.
Resolução
O atrito entre o canudo e o papel provoca a troca de elétrons entre eles — ambos se eletrizam. De acordo com a série triboelétrica (reveja a série triboelétrica na página 17), o mais provável é que o papel perca elétrons para o canudo. Como o canudo é de plástico, fica eletricamente negativo. Ao encostar o canudo na parede, elétrons dos materiais de que é feita a parede são repelidos, como está representado esquematicamente a seguir: o canudo, com carga elétrica negativa, e a região da parede junto a ele, com carga elétrica positiva.
Assim, o canudo e a parede passam a atrair-se eletricamente. Mas, como o canudo é isolante (o plástico é um excelente isolante), a troca de elétrons entre os dois corpos é muito lenta e reduzida, então o canudo e a parede permanecem grudados.
Observações
1ª) Há canudos de diferentes tipos de plástico, por isso é impossível situá-los com precisão na série triboelétrica, mas, como todos os materiais plásticos dessa série são “recebedores” de elétrons, nós os consideramos também “recebedores” de elétrons.
2ª) Aos poucos os elétrons do canudo passam para a parede ou para o ar. Pode-se ter certeza disso porque, com o tempo, o canudo acaba caindo, o que significa que a força de atração elétrica entre o canudo e a parede diminui.
3ª) A força de atração elétrica prende o canudo à parede, mas não o impede de deslizar para baixo. Para que o canudo não deslize, é preciso que haja uma força de atrito exercida pela parede sobre ele capaz de equilibrar o seu peso. Senão, se a parede for muito lisa, o canudo pode se manter grudado nela, mas escorrega e cai.
