UFOPA – PARFOR
Carga e Matéria
Cássio D. B. Pinheiro
cassio.pinheiro@ufopa.edu.br
Visão Geral e Conceitos
●
Um átomo possui
várias órbitas.
●
Cada órbita contém
uma quantidade de
elétrons.
●
Um átomo pode
ganhar ou perder
elétrons.
Visão Geral e Conceitos
●
Átomos com poucos
elétrons na última
camada têm
facilidade de perder
elétrons.
●
Átomos com muitos
elétrons na última
camada têm
facilidade de receber
elétrons.
Visão Geral e Conceitos
●
Átomos com cargas positivas, sendo
aproximados aos com carga negativa, tendem
a movimentar seus elétrons da última camada.
●
Quando os elétrons passam a ter um
movimento ordenado:
− Dão origem à corrente elétrica.
Princípios da Eletrostática
●
Atração e Repulsão - Lei de Du Fay
− Partículas com cargas elétricas do mesmo sinal se repelem mutuamente.
− Partículas com cargas elétricas de sinais contrários se atraem mutuamente.
Princípios da Eletrostática
●
Atração e Repulsão - Lei de Du Fay
− Partículas neutras não interagem por meio da força elétrica.
Princípios da Eletrostática
●
Conservação de Cargas Elétricas
− Num sistemaeletricamente isolado, mesmo que haja
transferência de carga de um corpo para
outro, a soma das cargas elétricas
positivas e negativas é constante.
Condutores e Isolantes
●
Condutores Elétricos
− São meios materiais onde as cargas elétricas movimentam-se com facilidade.
− Os elétrons estão fracamente ligados aos átomos. − Tem maior facilidade em conduzir a eletricidade.
●
Quanto maior for a
quantidade de elétrons
passando pela seção do fio,
maior será a condutividade
(menor será a resistividade)
Condutores e Isolantes
●
Condutores Elétricos
− Metais.Condutores e Isolantes
●
Isolantes Elétricos ou Dielétricos
− São meios materiais onde as cargas elétricas não têm facilidade de movimentação. − Os elétrons estão ligados fortemente ao átomo. − Não transmitem a energia elétrica com facilidade ou nem transmitem.
Condutores e Isolantes
●
Semicondutores
− São sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes.
− Quando puros e cristalinos, a
temperaturas muito baixas, são excelentes isolantes.
− Podem ser tratados quimicamente
(dopagem) de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à
temperatura ambiente.
− Seu emprego é importante na
fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos e transistores
Condutores e Isolantes
Eletrização de um Corpo
●
É semelhante ao de um átomo.
− Quando o número deprótons for igual ao número de elétrons, dizemos que ele está neutro.
− Quando apresenta uma falta ou um excesso de elétrons, ele adquire uma carga elétrica Q.
Eletrização de um Corpo
●
Processos de Eletrização
− O processo de retirar ou acrescentar elétrons a um corpo neutro para que este passe a estar eletrizado denomina-se eletrização.
− A eletrização de um corpo inicialmente neutro pode ocorrer de três maneiras:
● Atrito; ● Contato; ● Indução.
Eletrização por Atrito
●
Foi o primeiro processo de eletrização
conhecido.
●
Quando dois corpos de naturezas diferentes
são atritados, ambos se eletrizam.
●
Os corpos adquirem a mesma quantidade de
Eletrização por Atrito
●
Série Triboelétrica
− É uma lista onde sãoencontrados alguns
materiais em ordem que obedece à propriedade de doar ou receber elétrons. − Usada para determinar
que tipo de carga um corpo ficará após ter passado por um processo de eletrização por atrito.
Eletrização por Contato
●
Processo capaz de eletrizar um corpo através
do contato.
●
Dois corpos condutores, sendo pelo menos um
deles eletrizado, são postos em contato:
− A carga elétrica tende a se estabilizar, sendo redistribuída entre os dois;
Eletrização por Contato
●
Se um corpo neutro é colocado em contato com
um corpo eletrizado, o corpo neutro se eletriza.
●
Se os corpos tiverem mesma forma e mesmas
dimensões, a carga final será:
− Igual para os dois;
Eletrização por Contato
●
Um corpo eletrizado em contato com a terra
será neutralizado.
− Se tiver falta de elétrons, estes
serão doados pela terra; − Se tiver excesso de elétrons, estes serão descarregados para terra.
Eletrização por Indução
●
Processo de eletrização totalmente baseado no
princípio da atração e repulsão.
− A eletrização ocorre apenas com a aproximação de um corpo eletrizado (indutor) a um corpo neutro (induzido).
Eletrização por Indução
●
No fenômeno chamado indução eletrostática:
− Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza.
− Os corpos ficam eletrizados com cargas de sinais opostos.
Eletrização por Indução
● Processo é dividido em 4 etapas:
− Aproximar um bastão eletrizado de um corpo inicialmente
neutro.
● Os elétrons livres do induzido são atraídos/repelidos,
dependendo do sinal da carga do indutor.
− Ligar o induzido à terra, ainda na presença
do indutor.
− Desligar o induzido da terra, fazendo com que
sua única carga seja a do sinal oposto ao indutor.
− Após pode-se retirar o indutor das
Eletroscópios
●
São instrumentos destinados a verificar a
existência de carga elétrica em um determinado
corpo.
●
Um dos mais conhecidos é do tipo folhas.
− Formado por duas finas lâminas de
ouro presas numa das extremidades de uma haste metálica.
− Na outra extremidade da haste é
presa uma esfera de material condutor.
− O sistema é acondicionado dentro de
uma ampola de vidro, suspenso e totalmente isolado.
Eletroscópios
Equilíbrio Eletrostático
●
Em um condutor em equilíbrio eletrostático as
carga se localizam na superfície.
− Blindagem Eletrostática. − Gaiola de Faraday.
Lei de Coulomb
●
Definida pelo físico francês Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806) no ano de 1785.
●
O experimento media as forças elétricas entre
duas pequenas esferas carregadas.
− Primeira análise quantitativa das forças entre cargas
elétricas;
− Descobriu que a força
dependia do valor das cargas e da distância entre elas.
Lei de Coulomb
●
O Experimento usou o seguinte arranjo, onde:
− Uma esfera com carga elétrica q1é posta na extremidade de uma pequena barra mantida em
equilíbrio por uma esfera de mesma massa na extremidade oposta;
− Outra esfera fixa contém
determinada carga elétrica q2;
− O conjunto é suspenso por um fio fino, onde o seu ângulo de
Lei de Coulomb
●
Coulomb verificou que força de atração ou de
repulsão entre dois corpos é diretamente
proporcional às cargas e inversamente
proporcional ao quadrado da distância entre eles.
Onde:
− F → Força elétrica (N) − Q → Cargas 1 e 2 (C)
Lei de Coulomb
●
Sejam duas cargas elétricas, não necessariamente
iguais q
1e q
2, separadas por uma distância r.
− A força de atração (ou repulsão) é:
− Tendo como constante de proporcionalidade:
− ự0 é a constante de permissividade elétrica do vácuo,
Lei de Coulomb
●
Para determinar se as forças são de atração ou
de repulsão utiliza-se o produto de suas cargas,
da seguinte forma:
Q1.Q2 > 0 → Repulsão
Q1.Q2 < 0 → Atração
Exercícios de Fixação (1)
●
Um isolante elétrico:
a) Não pode ser carregado eletricamente; b) Não contém elétrons;
c) Tem de estar no estado sólido;
d) Tem, necessariamente, resistência pequena; e) Não pode ser metálico.
Exercícios de Fixação (2)
●
Considere duas esferas metálicas idênticas. A
carga elétrica de uma é Q e a da outra é -2Q.
Colocando-se as duas esferas em contato, a
carga elétrica da esfera que estava, no início,
carregada positivamente fica igual a:
a) 3Q/2 b) Q/2 c) -Q/2 d) -3Q/2
Exercícios de Fixação (3)
● Duas pequenas esferas metálicas idênticas, inicialmente
neutras, encontram-se suspensas por fios inextensíveis e isolantes.
Um jato de ar perpendicular ao plano da figura é lançado durante certo intervalo de tempo sobre as esferas. Observa-se então que ambas as esferas estão fortemente eletrizadas. Quando o
sistema alcança novamente o equilíbrio estático, podemos afirmar que as tensões nos fios:
a) aumentaram e as esferas se atraem; b) diminuíram e as esferas se repelem; c) aumentaram e as esferas se repelem; d) diminuíram e as esferas se atraem; e) não sofreram alterações.
Exercícios de Fixação (4)
● Considere duas partículas carregadas respectivamente com
+2,5µC e -1,5µC, dispostas conforme mostra a figura abaixo: Qual a intensidade da força que atua sobre a carga Q2?
Resolução:
− Analisando os sinais das cargas pode-se concluir que a força
calculada pela lei de Coulomb será de atração, tendo o cálculo de seu módulo dado por:
Exercícios de Fixação (5)
●
Determine a magnitude da
força elétrica em um elétron
no átomo de hidrogênio,
exercida pelo próton situado
no atômico. Assuma que a
órbita eletrônica tem raio de
d = 0,5.10
-10m.
Resolução
:
− Sabe-se que a carga elétrica do elétron é -1,6.10-19C e a carga do próton 1,6.10-19C, aplicando da Lei de Coulomb tem-se:
Exercícios de Fixação (6)
●
Quando a distância entre duas cargas elétricas
iguais é dobrada, o módulo da força elétrica
entre elas muda de F para:
a) F/4 b) F/2 c) 2F d) 4F e) 8F
Exercícios de Fixação (7)
●
