Aula 1_1. Carga Elétrica. Física Geral e Experimental III Prof. Cláudio Graça Capítulo 1

Aula 1_1

Carga

Elétrica

Capítulo 1

Física Geral e Experimental III Prof. Cláudio Graça

Carga Elétrica

• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo

atômico:

• Carga elétrica está relacionada a dois conceitos básicos: carga elétrica e partícula portadora de carga.

2. Partícula portadora de carga elétrica: Entende-se por portadores de cargas elétricas, partículas que são eletricamente carregadas. Nos metais, o portador de carga elétrica negativa é o elétron já nos fluidos, o portador de carga elétrica positivos são cátions, pois esse íons

tem prótons em excesso. Os prótons são partículas que compõe o núcleo do átomo. Ao contrário do elétron, o próton não é uma partícula elementar, pois, são formadas por partículas denominadas quarks.

1. A propriedade: carga elétrica; a carga elétrica é uma propriedade física da matéria positiva

ou negativa.

Pela teoria atual, as menores partículas portadoras de carga elétrica, os prótons e os elétrons, são

indivisíveis. Esse fato faz com que a quantidade de carga elétrica não possa assumir quaisquer valores, sendo possíveis somente valores múltiplos de quantidade de carga elementar (e).

 Dizemos que a quantidade de carga elétrica de um corpo é quantizada.

 E que A carga elétrica é conservada, ou seja nunca se observou o seu aniquilamento ou criação

Carga Elétrica

• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo

atômico

Partícula Massa

(grama) relativa Massa Carga elétrica (Coulomb) Carga líquida Próton (+) 1,7.10-24 _{1 +1,6.10-19 +1}

Nêutron (0) 1,7.10-24 _{1 0 0}

Carga Elétrica

• Carga Elétrica

é positiva (+) ou negativa (-)

• Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura.

• Quando, por um processor qualquer, se consegue desequilibrar o número de prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado. - O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso ou em falta:

- Se o corpo possui um número de prótons maior que o de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente,

- se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é dito eletrizado negativamente.

• Corpos polarizados: condutor e isolante

Carga Elétrica

• Um fluxo ordenado de cargas positivas ou negativas, é denominado de

corrente elétrica.

• Nos condutores a corrente elétrica é produzida pelo fluxo controlado de elétrons

• Os materiais que permitem o fluxo de carga são chamados condutores, materiais que não permitem o fluxo de carga são denominados isolantes.

Condutores: Metais, água, NaCl fundido

• Nos materiais ionicos como sais fundidos, a condução é iônica, por ions positivos e negativos em direções opostas

• Nos semicondutores a condução é de elétrons e de buracos (falta de elétrons que funcionam como partículas positivas.

Processos de eletrização

Atrito

Contato

Indução

Estas noções da eletrização foram desenvolvidas antes de se conhecer a natureza atômica da carga elétrica e dos processos físicos envolvidos em condutores e isolantes.

Eletrização: condutores e isolantes

•

Materiais Condutores Elétricos

Elétrons quase livres: metais

•

Materiais Isolantes

Não possuem elétrons livres: vidro, porcelana,

plásticos

Eletrização de Condutores

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um condutor produzindo separação de cargas

Eletrização de Isolantes

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um isolante produzindo a polarização ou mesmo ionização superficial

Eletrização de Condutores

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um condutor produzindo separação de cargas

Distribuição uniforme de carga

A eletrização dos condutores resulta na polarização global do condutor, aparecendo um campo que se opõe ao campo externo anulando o campo no interior do condutor.

Eletrização de Isolantes

Eletrização por efeito do campo elétrico externo, sobre um

isolante produzindo a polarização ou mesmo ionização

superficial

Eletrização: Modelo de eletricidade

Pergunta: Qual é a carga elétrica no material responsável pela condução elétrica, e quantos elétrons participam da corrente elétrica?

Carbono e diamante

Cobre (Cúbica de Face Centrada)

Considerando um material sólido como um condutor de cobre: o próton se encontra em posições fixas da estrutura cristalina. Nos condutores alguns elétrons são chamados livres. Quantos são os elétrons livres no cobre?

elétrons 10 7,854 m elétrons/c omo elétron/át mol cm átomos/mol 5 -3 3 18 22 2 22 23 10 675 , 6 10 5 , 8 ) ( 10 5 , 8 1 / 5 , 6 / 92 , 8 10 02 , 6                 r L n N g g M N n e e A e  

Condutores

 Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência).

 Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron (elétron livre).

Número atômico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)

K=2 2n2 _{= 2x1}2 _{= 2} L=8 2n2 _{= 2x2}2 _{= 8} M=18 2n2 _{= 2x3}2 _{= 18} N=1 K L M N 29P

Elétrons Livres

Um condutor elétrico é um corpo que permite movimentação de cargas elétricas. A movimentação de cargas elétricas num condutor depende de partículas denominadas "portadores de cargas", como os elétrons e os íons, dependendo do estado físico do condutor.

Estado Físico Portadores de carga Exemplo

Plasma íons (+) e elétrons (-) raios; arcos elétricos; tela de TV; raios; lâmpadas fluorescentes; etc

Gasoso íons (+) e elétrons (-) gás ionizado

Líquido íons(+) e íons(-) Água do mar; soluções iônicas Solido "elétrons livres" condutores metálicos; semicondutores

Nos metais, os átomos que formam a rede cristalina - característica das ligações metálicas - perdem elétrons, tornando-se íons (+). Os elétrons que se libertam passam a se movimentar caoticamente com muita

liberdade por toda rede, formando uma espécie de mar de elétrons ao redor dos íons (+).

Estes elétrons, que não mais pertencem a um único átomo, são os

"elétrons livres" que se ficarem sujeitos a um campo elétrico externo se movimentam em função da força elétrica deste campo.

Isolantes

 Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não cedem facilmente elétrons já que a sua camada de valência está quase completa (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste caso.

 Estes materiais não são condutores de corrente elétrica porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-lhes uma grande energia para passar os elétrons de banda de valência para a banda de condução.

Eletrização por atrito

• Série Triboelétrica

:

Positivo (Perdem elétrons facilmente)

Ar Asbestos Pele de coelho Vidro Mica Acrílico Cabelo Humano Nylon Lã Pele Chumbo Seda Alumínio Papel Algodão aço Madeira Cera borracha Niquel, cobre Latão Ouro, Platina Enxofre Acetato, rayon Poliester Stireno Orlon Polyurethane Polypropylene Vinyl (PVC) Silicio Teflon

Medida da carga elétrica

• Eletroscópios

• Eletróforo

• Eletrômetro digital

• Balança de Coulomb

Eletrização por indução

Elétroforo (Indução) Electrophorus

• Atrite a superfície da placa de espuma com seda.

• Coloque uma placa de alumínio com suporte isolante próximo à paca de espuma.

•Toque o alumínio para aterramento.

•Separe as placas. Qual será a carga na placa de alumínio? •Repita n vezes…

- - -

- - -

- - -

- - -

Solução: As cargas negativas (elétrons), imóveis na superfície da placa de espuma, repelem os elétrons na placa de alumínio (condutor). Quando se faz o aterramento da placa de alumínio, os elétrons são repelidos pelo terra deixando a placa carregada positivamente. Este processo repetido n vezes e a carga da placa de alumínio será exatamente a mesma, permitindo realizar experimentos com carga multípla desta.

Medida da carga elétrica

• Balança de Coulomb 1777

• Eletroforo de Volta

O Eletróforo é uma das mais simples máquinas de indução

A Carga elétrica é Quantizada e Conservada

 Existe uma quantidade mínima de carga, que é dada pelo valor da carga do elétron :

e

 Qualquer carga q deve ser um valor inteiro de cargas:

 A carga Total (= carga liquida ) é conservada.

As cargas podem ser criadas:

n  p+ _{+ e}- _{+ partícula neutra, ou destruídas:}

e- + e- = 2 gamas (raios-x)

Entretanto, a carga liqüida não varia, pois os valores da carga do próton, elétron e pósitron são idênticos

19

,

1, 2,3,...

1.60 10

C

q

ne n

e

 







Quantização da Carga

O que significa quantização de carga?

• Elétron - Descoberto em 1911 por Robert A. Milikan no experimento de queda de gota liquida.

• A unidade de carga, e, nunca se observou como sendo divisivel • Exemplo: supondo uma carga de um objeto, de 1 nC (10-9 _C).

Quantas unidades elementares formam essa carga?

Q=N*e portanto N= Q/e = 10-9 _{C/ 1.6*10} -19 _{C/e = 6*10}9 _{= seis}

Conservação de Carga

• O atrito não produz carga, simplesmente transfere

carga de um corpo para outro, ou melhor polariza..

• Reações nucleares





= e

+ e

• Decaimento radioativo



_U

92

=

Th

+

He

• Reações de alta energia



e

_{+ p}

_{= e}

_{+ p}

_{+ n}

Conservação da carga elétrica é o princípio em física que estipula que a carga elétrica não pode ser criada ou destruída

O experimento de Coulomb

Charles A.Coulomb (1736 – 1806)

F = k·[q1·q2]/d2

Cargas elétricas - Unidade de carga 1 coulomb = 1 C

k = 9×109 _N/C2_·m2

d = distância entre as cargas em “m”

Lei de Coulomb

A medida da força na balança de Coulomb foi feita em duas etapas, na primeira Coulomb estudou a torção de fibras muito finas, encontrando a expressão para a força de torção em termos do diâmetro da fibra e do seu comprimento.

Dessa maneira, experimentalmente ele pode com-parar os torques produzidos pela repulsão entre as esferas carregadas e o torque resistente oferecido pela fibra.

Na qual b é o braço de alavanca do experimento

Lei de Coulomb

1

4

q q

q q

F

k

r



r





...

F

 

F

F



F











_

1

8.99 10 (SI)

4

k









A constante ₀ é bem conhecida em termos da velocidade da luz cujo valor é conhecido com exatidão (define o metro!) :

Esta constante é muito grande, como resultado duas cargas de 1 Coulomb que estão a 1m entre si, exercem uma força muito grande. Usualmente as cargas são muito menores.

Principio da Superposição:

F₁ and F₂ são um par de ação e reação

3a _lei!

r = distância = separação e não é um

Comparação de forças:

Elétrica x Gravitacional

.

*

q = 1.6 X 10

_C

m = 1.67 X 10

_kg

F

=

1

4



q

q

r

F

= G

m

m

r

F

_elec

F

_grav

=

q

₁

q

₂

m

₁

m

₂

1

4



₀

G





F

F

elec

grav



1 23 10

.





36

Nota: a menor força existente na natureza!

1

q

₂

q

r

F

F

Lei de Coulomb

Dimensão da carga (esférica).

Exatamente como no caso da gravitação:

Fora de uma casca de carga uniformemente distribuída,

Q, a força sobre uma casca de carga é igual aquela em

que a carga Q estivesse localizada no centro da esfera.

2

r

Qq

k

Princípio da Superposição

Força elétrica produzido por mais que uma

carga pontual

•

Qual é a força que atua em –q, devido a

q

e q

?

– Tal como na mecânica se aplica o

Princípio da Superposição:

– A FORÇA TOTAL, sobre um objeto é igual

à soma vetorial de todas as componentes

.

F



Princípio da Superposição

Como se aplica a lei de Coulomb quando se consideram

mais de duas cargas?

Resumo: Eletrostática é baseada

em quatro fatos empíricos

• Conservação da carga

• Quantização da carga

• Lei de Coulomb

• Princípio da Superposição

Na próxima aula faremos exercícios sobre estes quatro princípios!

Máquinas Eletrostáticas

• Eletroscópio

• Eletróforo

• Garrafa de Leyden

• Gerador de Van der Graaff

• Gerador de Wimshusrt

• Pistola eletrostática

Eletroscópio e Eletrômetros

Dispositivo elétrico descoberto acidentalmente pelo físico holandes Pieter van Musschenbroek

da universidade de Leiden em 1746, e também inventado de forma independente pelo alemão

Ewald Georg von Kleist em 1745

Garrafa de Leiden

Foi Gilbert que denominou os

Fenômenos de atração e repulsão

por materiais atritados de fenômenos

Elétricos (

)

Isolantes: ÂMBAR

O âmbar é uma resinafóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais. Embora não seja um mineral, às vezes é considerado e usado como uma gema. Sabe-se que as árvores

(principalmente os pinheiros) cuja resina se transformou em âmbar viveram há milhões de anos em regiões de clima temperado. Nas zonas cujo clima era tropical, o âmbar foi formado por plantas leguminosas.

Primeira máquina eletrostá-tica, inventada por Otto von

Guerricke (1602–1686), por

volta de 1663

Máquina eletrostática de Wimshurst, inventada em

1883 por James Wimshrust

(1832-1903)

Gerador

Eletrostático do

nosso Laboratório,

também é um

Van de Graaff

Máquinas Eletrostáticas

Gerador de Van de Graaff

A ) Terminal de carga: casca esférica de alumínio B) Escova superior, serrilha de aluminio

C) Cilindro superior de suporte da correia isolante D) Correia isolante

E) Motor

F) Escova inferior G) Cilindro inferior

Campo criado pelo

Gerador Eletrostático

Van de Graaff

Descarga elétrica por carga estática

Atenção

Eletricidade estática representa um risco de explosão por chispas

Nunca

encha tanque

que se encontram no

veículo

Sempre

coloque os