Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (IFPE) Campus Garanhuns Curso Subsequente em Eletroeletrônica. Tema: Eletrostática

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Tema:

Eletrostática

Prof.a_{Alana Kelly X. Santos}

Engenheira Eletricista MSc. em Engenharia Elétrica

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (IFPE) – Campus Garanhuns

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Eletrostática

• Ramo da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso.

– Estuda os fenômenos do equilíbrio da eletricidade nos corpos que de alguma forma se tornam carregados eletricamente ou eletrizados.

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Eletrostática

• Carga Elétrica

– Propriedade Física fundamental da matéria.

Unidade Fundamental de Medida: Coulomb (C)

Charles Augustin de Coulomb 1736-1806

C e 1,602 .10 19

Módulo da carga do próton e do elétron:

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CARGAS IGUAIS

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CARGAS IGUAIS

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CARGAS

DIFERENTES

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CARGAS

DIFERENTES

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Processos de Eletrização

Contato

Indução

Atrito

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Processos de Eletrização

• Eletrização por Atrito

– Quando dois corpos inicialmente neutros são esfregados um ao outro se tornam eletrizados. Um com carga positiva e outro com carga negativa.

ATRITO

Tubo de vidro ou cano esfregado num papel higiênico convenciona a eletrização por atrito

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Processos de Eletrização

• Eletrização por Atrito

– Após o atrito, os corpos atritados ficam com cargas de sinais opostos. – Isso é determinado por

uma tabela chamada de série triboelétrica.

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Processos de Eletrização

• Eletrização por Contato

– Ocorre quando se põe em contato dois corpos com cargas diferentes.

– Pode ocorrer nesta situação a passagem de elétrons de um corpo para outro, equilibrando as cargas individuais.

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Contato de Corpos Idênticos – Conservação de Cargas

Processos de Eletrização

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Processos de Eletrização

• Eletrização por Indução

– Esse tipo de eletrização pode acontecer por aproximação simples:

• Um corpo normalmente está eletrizado e outro neutro; • Não há entre eles nenhum tipo de contato.

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Processos de Eletrização

• Eletrização por Indução

1 corpo carregado + 2 corpos neutros Aproximação: Separação de cargas Separação dos condutores Retira-se o indutor das proximidades Corpo indutor

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• O módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q e Q) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância “r” entre eles.

• Constante de Coulomb:

• A força pode ser atrativa ou repulsiva a depender do sinal das cargas. É atrativa se as cargas tiverem sinais opostos e repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal.

2 . . r Q q k F_qQ 2 2 9 / . 10 . 9 N m C k

Lei de Coulomb

(N)

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Lei de Coulomb

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Lei de Coulomb

• Exemplo: Duas cargas puntiformes estão

no vácuo, separadas por uma distância d = 4,0 cm. Sabendo que seus valores são

Q₁ = - 6,0 . 10-6 C e Q₂ = + 8,0 . 10-6 C. Determine a característica e o módulo da força entre elas.

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• Exercício 1: Duas cargas (q₁ e q₂) de mesmo sinal se encontram no espaço separadas por uma distância d. Se as cargas forem aproximadas para uma distância d/2, o que acontece com a força de repulsão entre elas? E se a distância for aumentada para 3d, o que ocorre?

• Exercício 2: Que partícula é transferida de um corpo para o outro no processo de eletrização por atrito?

• Exercício 3: Duas esferas metálicas idênticas, de cargas 4.10-6_{C e}

6.10-6_{C, foram colocadas em contato. Determine a carga de cada}

uma após o contato.

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• Exercício 4: Duas cargas de 8.10-4_{C e 2.10}-3_{C estão separadas por}

6 m, no vácuo. Calcule o valor da força de repulsão entre elas. (dado: k = 9.109_N.m2_/C2₎

• Exercício 5: Uma carga de 10-9_{C é colocada a uma distância de}

2.10-2_{m de uma carga Q. Entre as cargas aparece uma força de}

repulsão igual a 9.10-5_{N. (Considere k = 9.10}9_N.m2_/C2₎

a) Determine o valor da carga Q.

b) Qual seria o valor da carga Q se a força entre as cargas fossem de atração?

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• Como “eletrizar” positivamente um corpo neutro por indução?

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• Como “eletrizar” positivamente um corpo neutro por indução?

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Planeta Terra - Grande Condutor

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Campo Elétrico

• Michael Faraday: primeiro a propor definição.

Necessidade: Explicar a ação de forças entre

cargas a uma certa distância

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Campo Elétrico

Existe um campo elétrico em uma região do espaço

e, quando uma carga é colocada em qualquer ponto

dessa região, fica sujeita a uma força elétrica, de

atração ou de repulsão.

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Campo Elétrico

O campo elétrico pode ser definido

como a

região de perturbação do

espaço

que surge devido à presença

de uma carga ou de um corpo

carregado, onde ocorrem

interações elétricas (ou

eletrostáticas).

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Campo Elétrico

 Existe uma região de influência da carga Q onde qualquer carga de prova q, nela colocada, estará sob a ação de uma força de origem elétrica.

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• A força entre as cargas está presente no campo elétrico que envolve cada corpo carregado.

• Este campo é responsável pelos efeitos de atração e repulsão, caracterizados pelo perfil das “linhas de carga”.

Repulsão entre as cargas Atração entre as cargas

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Campo Elétrico

• As linhas de carga (ou de campo) saem nas cargas positivas e entram nas negativas.

– +

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• O campo elétrico E é uma grandeza vetorial, apresentando direção, sentido e módulo.

• A unidade de E no Sistema Internacional é N/C.

• O campo provocado em uma carga de prova q submetida a uma força F é dado por:

q

F

E



Campo Elétrico

(N/C)

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Campo Elétrico

• Gerado por carga positiva

+

.

+ F E E E E Q q

q

F

E



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Campo Elétrico

• Gerado por carga negativa

–

.

+ F E E Q q E E

q

F

E



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Campo Elétrico

• Exemplo: O corpo eletrizado Q, positivo, produz em um

ponto P um campo elétrico de intensidade 1,5.105_N/C.

Calcule a intensidade da força produzida numa carga positiva q = 4µC colocada em P. Esboce as linhas de campo elétrico na região que abrange as duas cargas.

E q F q F E     . Grandezas vetoriais: exibem módulo, direção e sentido!

+

P Q + q N F 4.10 6 (1,5.10 5) 6.10 1 

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Campo Elétrico

• Orientações do Campo

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Campo Elétrico

• Propriedades das Linhas de Força

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Campo Elétrico

II. As linhas são tangenciadas pelo campo elétrico;

A cada ponto do campo associa-se um vetor E.

 A linha de força é tangente ao vetor campo elétrico em cada um de seus pontos.

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Campo Elétrico

III. Duas linhas de força nunca se cruzam;

Por um ponto de um campo elétrico não podem passar duas linhas de força. Tal fato incidiria em mais de uma direção do campo elétrico para um mesmo ponto (Absurdo).

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Campo Elétrico

IV. A intensidade do campo elétrico é proporcional à concentração das linhas de força.

 As regiões do espaço que contiverem maior número de

linhas de campo denotam áreas de maior intensidade da força elétrica que certo corpo pode exercer sobre outro.

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Campo Elétrico

• Cálculo básico r + Q _E F + q 2 . r q Q k F q F E q r Q q k E 2 . 2 r Q k E (N/C) (N)

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• Condutores, semicondutores e isolantes

Materiais Elétricos

• Há diversos elétrons livres no material. • Os elétrons se movem de forma contínua e desordenada. • Ex.: cobre, prata,

alumínio, etc. Condutores • Materiais tetravalentes. • Cristais estáveis suscetíveis à impurezas. • Ex.: Germânio, silício, carbono Semicondutores • Existe pouca quantidade de elétrons livres. • Poucas cargas podem se movimentar. • Ex.: alguns plásticos, mica, algumas resinas. Isolantes

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• Materiais condutores e isolantes

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• Condutores e Isolantes

– Condutividade (σ): Característica intrínseca dos materiais relacionada com a capacidade de permitir o fluxo de carga elétrica. Esc al a de condu tiv idade Metais/Condutores Semicondutores Isolantes

Materiais Elétricos

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Características básicas Aplicações Átomos organizados – Estrutura de cristal Alta plasticidade Excelente condutor Relativamente resistente Resistente: alta Tenacidade

Condutores de energia Máquinas e ferramentas Estruturas: construção civil

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• Razões para aplicação dos materiais metálicos: Propriedades Físicas Condutividade elétrica e térmica, refratariedade, cor, brilho, densidade. Mecânicas Resistência em alta e baixa temperatura, conformabilidade, tenacidade, ductilidade, dureza. Químicas Susceptibilidade à corrosão;

Formação de ligas com outros metais e soldagem.

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Gaiola de Faraday

• Experimento conduzido por Michael Faraday; • Foco: demonstrar que

uma superfície

condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior

As cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da

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Gerador de Van der Graaff

• Dispositivo projetado para criar eletricidade estática e torná-lo disponível para experimentos;

• Van der Graaff inventou o gerador para fornecer energia elétrica para os primeiros aceleradores de partículas.

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Gerador de Van Graaff

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