Carga Elétrica
A carga elétrica é considerada como sendo uma
propriedade que se manifesta em algumas das chamadas
partículas elementares; por exemplo, nos prótons e elétrons.
Os prótons e
elétrons são os portadores do que denominamos carga elétrica,
mas esta propriedade não se manifesta exatamente da mesma
forma nessas partículas; convencionou-se, então, a chamar a
carga elétrica dos prótons de
positiva
(+) e a dos elétrons de
negativa
(-).
Experiências
realizadas no transcorrer do início do século XX, notadamente
por Millikan, permitiram verificar que prótons e elétrons
apresentam cargas elétricas de mesmo valor absoluto e que a
quantidade de carga apresentada por ambos corresponde à menor
quantidade de carga que uma partícula pode ter; a este valor
chamamos de
carga elementar
e representa-se por
e.
O valor desta carga
e
no SI - Sistema Internacional - é dado por 1,6· 10-19
coulomb.
Corpo
eletricamente neutro e corpo eletrizado
Um corpo apresenta-se eletricamente neutro
quando o número total de prótons e de elétrons está em
equilíbrio na sua estrutura.
Quando,
por um processador 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. Por
exemplo, se um determinado 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.
Princípios Fundamentais da Eletrostática
Princípio das ações elétricas
: cargas elétricas de sinais iguais se repelem e de sinais
contrários se atraem.
Princípio da conservação das cargas elétricas
: num sistema eletricamente isolado a carga elétrica total
permanece constante.
Processos de eletrização
Podem ser de três tipos.
Atrito
: processo conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e que
consiste em se atrair corpos inicialmente neutros; durante a
fase do atrito ocorre a transferência de elétrons de um corpo
para outro. O corpo que perde elétrons fica eletrizado
positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se
negativamente.
Na eletrização por atrito os corpos sempre se
eletrizam com cargas iguais mas de sinais contrários. Os
sinais que as cargas irão adquirir depende, dos tipos de
substâncias que serão atritadas.
Contato
: um corpo é eletrizado pelo
contato com outro corpo previamente carregado.
Na eletrização por contato os corpos sempre se
eletrizam com cargas de mesmo sinal.
Indução eletrostática
: um corpo é eletrizado apenas pela aproximação de um outro
corpo previamente eletrizado, todavia, para que esta
eletrização se mantenha é necessário de utilizar de um simples
artifício, sem o qual o corpo volta ao seu estado anterior.
Na eletrização por indução, o corpo induzido
sempre se eletriza com carg de sinal contrário à do corpo
indutor.
HISTÓRICO
A eletricidade como
ciência data de 600 a.C, quando os gregos observaram que uma
pedra de âmbar, ao ser atritada com lã, adquiria a capacidade
de atrair para si pequenos objetos.
Quando um bastão de vidro
é atritado com seda, adquire essa capacidade graças à passagem
de algo, de um corpo para outro. Esse algo, transferido
durante a fricção dos corpos é chamado genericamente de cargas
elétricas, e os corpos nesse estado se encontram carregados de
eletricidade, isto é, se encontram eletrizados.
Diversas teorias foram
propostas para justificar tais fenômenos elétricos.
Atualmente, eles são explicados da seguinte maneira: Todos os
corpos são formados de átomos, os quais são constituídos de
partículas elementares, sendo as principais: elétrons, prótons
e nêutrons. Os prótons e os nêutrons acham-se localizados na
parte central do átomo chamado de núcleo. Ao redor do núcleo
movem-se os elétrons.Os prótons em presença se repelem, o
mesmo acontecendo com os elétrons. Entre um elétron e um
próton há atração.Estes comportamentos são idênticos aos
observados entre os bastões de vidro e os panos de lã.Para
explicá-los associa-se aos prótons e aos elétrons uma
propriedade física denominada carga elétrica. Os prótons e os
elétrons apresentam efeitos elétricos opostos. Por esse
motivo, há duas espécie de cargas elétricas: positiva (carga
elétrica do próton) e negativa ( carga elétrica do elétron) Os
nêutrons não tem carga elétrica.
Num átomo, o numero de
prótons é igual ao numero de elétrons, e o átomo, como um
todo, é eletricamente neutro.
Ao atritarmos o bastão de
vidro e o pano de lã, ocorreu uma troca de elétrons entre o
bastão e o pano de lã, de modo que um ficou com falta de
elétrons e o outro com excesso de elétrons.
Os corpos que apresentam
excesso ou falta de elétrons são chamados de corpos
eletrizados.
Principio da
Eletrostática
A eletrostática é a parte
da física que estuda as propriedades e a ação mútuas das
cargas elétricas em repouso em relação a um sistema inercial
de referência.
O principio da ação e
repulsão diz que: cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e
cargas de sinais contrários se atraem.
O principio da conservação
das cargas elétricas diz: num sistema eletricamente isolado, a
soma algébrica das cargas positivas e negativas é constante.
Considere dois corpos A e B com cargas Q1 e Q2
respectivamente, admitamos que houve troca de cargas entre os
corpos e os mesmos ficaram com cargas Q1’ e Q2’
respectivamente. Temos então pelo principio da conservação das
cargas elétricas que: Q1 + Q2 = Q1’ + Q2’ = constante.
Condutores e isolantes
Segurando uma barra de
vidro por uma das extremidades e atritando a outra com um pano
de lã, somente a extremidade atritada se eletriza. Isto
significa que as cargas elétricas em excesso localizam-se em
determinada região e não se espalha.
Fazendo o mesmo com uma
carga metálica , esta não se eletriza.
Repetindo o processo
anterior, mas segurando a barra metálica por meio de um
barbante, a barra metálica se eletriza e as cargas em excesso
se espalham pela superfície.
Os materiais , como o
vidro, que conservam as cargas nas regiões onde elas surgem
são chamada de isolantes ou dielétricos. Os materiais, nos
quais as cargas se espalham imediatamente , são chamados de
condutores. È o caso dos metais, do corpo humano e do solo. Ao
atritarmos a barra metálica, segurando-a diretamente com as
mãos, as cargas elétricas em excesso espalham-se pelo metal,
pelo corpo e pela terra que são condutores. Com isso, a barra
metálica não se eletriza devido as suas dimensões serem
reduzidas em relação as dimensões da terra. Deste fato, se
ligarmos um condutor eletrizado à terra, este se descarrega.
Quando
um condutor estiver eletrizado positivamente, elétrons sobem
da terra para o condutor, neutralizando seu excesso de cargas
positivas. Quando um condutor estiver eletrizado
negativamente, seus elétrons em excesso escoam para a terra.
Eletrização por contato
Colocando-se em contato
dois condutores, um eletrizado(A) e o outro neutro (B), este
se eletriza com carga de mesmo sinal que A.
De fato, se A estiver
eletrizado positivamente, ao entrar em contato com B, atrai
parte dos elétrons livre deste. Assim, A continua eletrizado
positivamente, mas com carga menor e B, que estava neutro,
fica eletrizado positivamente.
Estando
A eletrizado negativamente, seus elétrons em excesso estão
distribuídos em sua superfície externa. Ao entrar em contato
com B, esses elétrons em excesso espalham-se pela superfície
externa do conjunto. Assim, A continua negativo, mas com um
menor número de elétrons em excesso e B, que estava neutro,
eletriza-se negativamente.
Eletrização por indução
Aproxime, sem tocar, um
corpo A, eletrizado positivamente, de um condutor B, neutro.
Elétrons livre deste condutor são atraídos por A e se acumulam
na região de B mais próxima de A. A região de B mais afastada
fica com falta de elétrons e, portanto, excesso de cargas
positiva. Este fenômeno é denominado indução eletrostática. O
corpo eletrizado A é o indutor, e o condutor B, é o induzido.
Afastando-se
o indutor, o induzido volta à situação inicial. Para que B
fique eletrizado, deve-se, após aproximar A de B, realizar as
seguintes operações:
Considerando o indutor
negativo. Note que ao ser efetuada a ligação do induzido com a
terra, os elétrons, que constituem as cargas do induzido de
mesmo sinal que a carga do indutor, escoam para a terra. No
final do processo, B encontra-se eletrizado positivamente.
-
Condutor B, neutro e isolado.
Aproximando
A e B, ocorre indução eletrostática.
Ligando B a terra,
elétrons de B escoam para a terra.
A
ligação de B com a terra é desfeita.
O
indutor A é afastado de B se eletriza positivamente.
Dos casos aqui analisados,
podemos concluir que na eletrização por indução, o induzido
carrega-se com carga de sinal contrário à do indutor. A carga
do indutor não se altera.
Poder das pontas
Sabe-se que num condutor
carregado em equilíbrio, a carga elétrica se distribui apenas
na superfície externa. Mas essa distribuição de carga só é
influenciada no caso muito particular de um condutor esférico
afastado da influência de outros condutores.
No caso mais geral, a
distribuição das cargas elétricas é muito regular. Dai, ter-se
definido uma nova grandeza , chamada densidade de carga
supercial.
Verificou-se
experimentalmente que, quato menor era o raio de curvatura de
uma pequena região de um condutor carregado, maior era a
densidade superfical de carga. Dai haver grande acumulo de
cargas elétricas nas regiões pontiagudas.
1 - As Leis da Eletrodinâmica e o Princípio da Relatividade
Essência da teoria da relatividade.
O desenvolvimento da eletrodinâmica levou à
revisão das noções de espaço e tempo.
De acordo com as noções clássicas de espaço
e tempo, consideradas inabaláveis ao longo dos séculos, o
movimento não exerce nenhuma influência no tempo (o tempo é
absoluto), e as medidas lineares de qualquer corpo não
dependem do fato de o corpo estar em movimento ou não (o
comprimento é absoluto) .
A teoria da relatividade especial de
Einstein é um novo estudo do espaço e do tempo, vindo
substituir as noções antigas (clássicas).
O princípio da relatividade na mecânica e
na eletrodinâmica.
Depois de Maxwell, na segunda metade do
séc. XIX, ter formulado as leis fundamentais da
eletrodinâmica, surgiu a seguinte questão: será que o
princípio da relatividade, verdadeiro para os fenômenos
mecânicos, se estende aos fenômenos electromagnéticos? Por
outras palavras, decorrerão os processos electromagnéticos
(interação da cargas e correntes, propagação das ondas
eletromagnéticas, etc.) igualmente em todos os sistemas
inerciais? Ou ainda, o movimento uniforme e retilíneo, não
influenciando os fenômenos mecânicos, exercerá alguma
influência nos processos eletromagnéticos?
Para responder a esta questão era
necessário verificar se se modificariam as leis principais da
eletrodinâmica na passagem de um sistema inercial para outro
ou se, à semelhança das leis de Newton, elas se conservariam.
Só no último caso seria possível deixar de duvidar sobre a
veracidade do princípio da relatividade nos processos
electromagnéticos e considerar este princípio como uma lei
geral da Natureza.
As leis da eletrodinâmica são complexas e a
resolução deste problema não era nada fácil. No entanto,
raciocínios simples pareciam ajudar a encontrar a resposta
certa. De acordo com as leis da eletrodinâmica, a velocidade
de propagação das ondas electromagnéticas no vácuo é igual em
todas a direções e o seu valor é c = 3.1010
cm/s. Mas, por outro lado, de acordo com o princípio da
composição de velocidades da mecânica de Newton, a velocidade
só pode ser igual a c num dado sistema. Em qualquer
outro sistema, que se mova em relação ao sistema dado com
velocidade v , a velocidade da luz deveria ser igual a
Isto significa que se é verdadeiro o princípio
da composição de velocidades, então, na passagem de um sistema
inercial para outro, as leis da eletrodinâmica deverão
alterar-se de tal modo que neste sistema a velocidade da luz,
em vez de ser igual a c ,será igual a
.
De forma verificou-se que existiam algumas
contradições entre a eletrodinâmica e a mecânica de Newton,
cujas leis estão de acordo com o princípio da relatividade. As
tentativas de resolver as dificuldades que surgiram foram
feitas em três direções diferentes.0
A primeira possibilidade consistia
em declarar que o princípio da relatividade não se podia
aplicar aos fenômenos electromagnéticos. Este ponto de vista
foi defendido pelo grande físico holandês G. LORENTZ, fundador
da teoria eletrônica. Os fenômenos electromagnéticos eram
vistos, desde o tempo de Faraday, como processos que decorriam
num meio especial, que penetra em todos os corpos e ocupa todo
o espaço - " o éter mundial " . Um sistema inercial parado em
relação ao éter é, segundo Lorentz, um sistema privilegiado.
Nele, as leis da eletrodinâmica de Maxwell são verdadeiras e
têm uma forma mais simples. Só neste sistema a velocidade da
luz no vácuo é igual em todas as direções.
A segunda possibilidade consiste em
considerar as equações de Maxwell falsas e tentar modificá-las
de tal modo que com a passagem de um sistema inercial para
outro (de acordo com os habituais conceitos clássicos de
espaço e de tempo) não se alterem . Tal tentativa foi
feita, em particular, por G.HERTZ. Segundo Hertz, o éter é
arrastado totalmente pelos corpos em movimento e por isso os
fenômenos electromagnéticos decorrem igualmente,
independentemente do fato do corpo estar parado ou em
movimento. O princípio da relatividade é verdadeiro.
Finalmente, a terceira possibilidade
da resolução das dificuldades consiste na rejeição das noções
clássicas sobre o espaço e tempo para que se mantenha o
princípio da relatividade e as leis de Maxwell. Este é o
caminho mais revolucionário, visto que significa a revisão das
mais profundas e importantes noções da física. De acordo com
este ponto de vista, não são as equações do campo magnético
que estão incorretas, mas sim as leis da mecânica de Newton,
as quais estão de acordo com a antiga noção de espaço e tempo.
É necessário alterar as leis da mecânica, e não as leis de
eletrodinâmica de Maxwell.
Só a terceira possibilidade é que é
correta. Einstein desenvolveu-a gradualmente e criou uma nova
concepção do espaço e do tempo. As duas primeiras
possibilidades vieram a ser rejeitadas pela experiência.
Quando Hertz tentou mudar as leis da
eletrodinâmica de Maxwell verificou-se que as novas equações
não podiam explicar muitos fatos observados. Assim, de acordo
com a teoria de Hertz, a água em movimento deverá arrastar
completamente consigo a luz que se propaga nela, visto que ela
arrasta o éter, onde a luz se propaga. A experiência mostrou
que na realidade isso não se passava.
A experiência de Michelson. O ponto de
vista de Lorentz, de acordo com o qual deve existir um certo
sistema de referência, vinculado ao éter mundial, que se
mantém em repouso absoluto, também foi rejeitado por
experiências diretas.
Se a velocidade da luz só fosse igual a 300
000 km/s num sistema vinculado ao éter, então, medindo a
velocidade da luz em qualquer outro sistema inercial,
poder-se-ia observar o movimento deste sistema em relação ao
éter e determinar a velocidade deste movimento. Tal como num
sistema que se mova em relação ao ar surge vento, quando se dá
o movimento em relação ao éter (isto, claro, admitindo que o
éter existe) deveria surgir "vento de éter". A experiência
para verificação do "vento de éter" foi realizada em 1881
pelos cientistas americanos A. MICHELSON e E. MORLEY, segundo
uma idéia avançada 12 anos antes por Maxwell.
Nesta experiência compara-se a velocidade
da luz na direção do movimento da Terra e numa direção
perpendicular. A medição foi feita com grande exatidão com o
auxílio de um instrumento especial - interferômetro de
Michelson. As experiências foram realizadas a diferentes horas
do dia e em diferentes épocas do ano. Mas obteve-se sempre um
resultado negativo: não foi possível observar o movimento da
Terra em relação ao éter.
Esta situação é semelhante à que se
verificaria se, deitando a cabeça de fora pela janela de um
automóvel à velocidade de 100 km/h, não sentíssemos o vento
soprando contra nós.
Deste modo, a hipótese da existência de um
sistema de referência privilegiado também foi rejeitada
experimentalmente. Por sua vez, isto significava que não
existe nenhum meio especial, "éter", ao qual se possa vincular
esse tal sistema privilegiado.
Capítulo 01. Eletrodinâmica
Exemplo:
lâmpada, pilha, bateria, chuveiro, etc.
13.
Principais Ligações em um Circuito
Os diferentes modos que podemos
utilizar para interligar os elementos elétricos, formando um
circuito elétrico, são chamados de associações. Podemos ter
associação em série, em paralelo ou mista.
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13.1. Associação em Série
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Neste tipo de associação, os elementos
são ligados em seqüência, estabelecendo um único caminho de
percurso para a corrente elétrica. Na associação em série, o
funcionamento dos aparelhos elétricos ligados ao gerador ficam
dependentes entre si: ou todos funcionam ou nenhum funciona.
Observemos que o gerador obriga os
portadores de carga a se movimentarem através dos fios
condutores, fornecendo a eles energia elétrica, e a passarem
através de todos os elementos do circuito. Em cada elemento,
os portadores de carga perdem energia elétrica, que será
transformada em outra modalidade de energia.
Assim, numa associação em série,
temos:
1)
correntes elétricas iguais em todos os elementos do
circuito;
2) U
AB = U AC + U CB
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13.2.
Associação em Paralelo
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Neste tipo de associação, os aparelhos
elétricos são ligados ao gerador independentemente um do
outro. Podem todos funcionar simultânea ou individualmente.
Observamos, nesta forma de associação, que existe uma corrente
elétrica para cada aparelho elétrico, possibilitando o seu
funcio-namento independentemente de qualquer outro.
Os portadores de carga, forçados pelo
gerador a se movimentarem através dos fios condutores,
dividem-se em dois ou mais grupos; sendo que cada grupo perde
sua energia elétrica ao atravessar o respectivo aparelho
elétrico.
Portanto, numa associação em paralelo,
temos:
1) correntes elétricas diferentes para
cada aparelho elétrico, sendo: i T = i1
+ i2.
2) ddp’s iguais em todos os aparelhos
elétricos:
U AB = U CD
= U EF .
Como o nome indica, esta associação é
formada por associações em série e em paralelo,
concomitantemente.
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