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
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.
Eletrostática
• Carga Elétrica
– Propriedade Física fundamental da matéria.
Unidade Fundamental de Medida: Coulomb (C)
Charles Augustin de Coulomb 1736-1806
C e 1,602.1019
Módulo da carga do próton e do elétron:
CARGAS IGUAIS
CARGAS IGUAIS
CARGAS
DIFERENTES
CARGAS
DIFERENTES
Processos de Eletrização
Contato
Indução
Atrito
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
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.
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.
Contato de Corpos Idênticos – Conservação de Cargas
Processos de Eletrização
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.
• Experimento da “caneta” – Realização;
– O que ocorreu? Por que?
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
• 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.
N
r
Q
q
k
F
qQ
.
.
2 2 2 9 / . 10 . 98 , 8 N m C k Lei de Coulomb
Lei de Coulomb
• Conclusões importantes:
I. Mantendo-se a distância entre os corpos e multiplicando por X a quantidade de carga elétrica de cada um, a força elétrica será multiplicada por X2.
II. Mantendo-se as cargas elétricas e multiplicando por
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.
• Exercício 1: Descreva a trajetória dos elétrons em relação ao núcleo dos átomos e explique o princípio de desencadeamento dos elétrons livres.
• Exercício 2: 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 3: Qual a carga total, em C, formada por 5,31.1020
elétrons sabendo-se que 1 elétron tem carga 1,6.10-19C?
Campo Elétrico
• Michael Faraday: primeiro a propor definição.
Necessidade: Explicar a ação de forças entre
cargas a uma certa distância
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.
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).
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.
• 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
Campo Elétrico
• As linhas de carga (ou de campo) saem nas cargas positivas e entram nas negativas.
– +
• 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:
N
C
q
F
E
/
Campo Elétrico
Campo Elétrico
• Gerado por carga positiva
+
.
+ F E E E E Q qq
F
E
Campo Elétrico
• Gerado por carga negativa
–
.
+ F E E Q q E Eq
F
E
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 4.106 1,5.105 6.101Campo Elétrico
• Orientações do Campo
Campo Elétrico
• Propriedades das Linhas de Força
Campo Elétrico
• Propriedades das Linhas de Força
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.
Campo Elétrico
• Propriedades das Linhas de Força
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).
Campo Elétrico
• Propriedades das Linhas de Força
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.
Campo Elétrico
• Cálculo básico r + Q E F + q
N
r
q
Q
k
F
.
2
N
C
q
F
E
/
q
r
Q
q
k
E
2.
2r
Q
k
E
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
Gerador de Van Graaff
• Gerador eletrostático
Gerador de Van Graaff
• 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
• Materiais condutores e isolantes
• Condutores e Isolantes
– Condutividade (σ): Característica intrínseca dos materiais relacionada com a capacidade de permitir o fluxo de carga elétrica. Esc ala d e c o n d u tivid ad e Metais/Condutores Semicondutores Isolantes
Materiais Elétricos
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
Materiais Metálicos
• 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.
