AULA 1 - Eletricidade Básica - Técnico

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Eletrostática

A compreensão dos fenômenos elétricos se inicia com o entendimento acerca das cargas elétricas estáticas, e suas interações.

A esta área do conhecimento dá-se o nome de Eletrostática.

O termo eletricidade origina-se do termo elektron, nome grego do âmbar.

Em meados de VI a.C.,Tales de Mileto, filósofo e matemático grego, iniciou os estudos de eletrostática, após ter atritado um pedaço de âmbar (resina fossilizada) com pele de animal, verificou que o 1º passou a atrair objetos leves como uma pena.

Carga Elétrica

É uma propriedade ligada à natureza de um corpo responsável pela interação elétrica entre os corpos, ou seja, de atração e repulsão.

Todo corpo, toda matéria, todo organismo é composto por moléculas, as quais, por sua vez, são compostas por átomos, que também são compostos por partículas e subpartículas carregadas eletricamente.

Molécula complexa (fármaco Omeprazol)

Modelo de átomo (fármaco Omeprazol)

Nos átomos, as partículas portadoras de carga elétrica são:

• Elétrons (e-) - também conhecidas como cargas negativas do átomo;
• Prótons (p) - também conhecidas como cargas positivas do átomo.

Os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico e são fracamente ligados ao átomo.

O núcleo atômico está localizado no centro do átomo e é constituído por prótons,que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente 2.000 vezes superior a massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons.

As cargas do elétron e do próton são opostas e convencionou-se atribuir ao elétron carga negativa e ao próton, carga positiva. Essas cargas têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes.

Carga elementar

A carga elementar do elétron e do próton tem como símbolo e, e valor, em módulo e=1,6.10-19 C (coulomb (C), unidade de carga elétrica no sistema internacional SI).

Ou seja:

• carga do próton: +1,6.10-19 C
• carga do elétron: - 1,6.10-19 C

OBS: Isso implicaria em afirmar que a carga elementar é a menor quantidade de carga encontrada na natureza, 
mas, de acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares. 
Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a existência de 12 quarks na natureza, 
mas só dois tipos formam os prótons e nêutrons, o quark up (u), de carga elétrica positiva, igual a 2/3 do valor
da carga do elétron, e o quark down (d), de carga elétrica negativa, igual a 1/3 do valor da carga do elétron. 
Um próton é formado por 2 quarks u e um d, implicando numa carga 2/3 + 2/3 -1/3=1. 
O nêutron é formado por dois d e um u tendo, portanto, carga nula.

Submúltiplos do coulomb (C):

• 1 mC (milicoulomb) = 10-3C

• 1 μC (microcoulomb)= 10-6C

• 1 nC (nanocoulomb)= 10-9C

• 1 pC (picocoulomb)=10-12C

Num átomo neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Portanto, quando a matéria é, ou está, estável, o número de elétrons e prótons (que identifica o número atômico daquela substância) é o mesmo. Ou seja, a carga total naquela substância é nula, zero, porque as cargas positivas anulam as cargas negativas do átomo, como na figura acima.

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Para aprender mais sobre o átomo:

1. Vídeo sobre o Átomo
2. Filme sobre Física Quântica - O Ponto de mutação

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Íons

Como os elétrons são fracamente presos ao átomo e como estão nas camadas externas são eles que se deslocam. Condições como temperatura, campos elétricos, campos magnéticos e aceleração aumentam a atividade eletrônica, fazendo com que estes pulem de uma camada para outra, ou mesmo para fora da órbita eletrônica daquele átomo. Assim, muito frequentemente, os átomos perdem ou ganham elétrons para outras substâncias.

Nesta circunstância, passam a ser chamados de íons

Se um átomo neutro ganhou elétrons ele está eletrizado com carga negativa (no. elétrons > no. prótons) e é denominado íon negativo, ou ânion.

Se um átomo neutro perdeu elétrons ele está eletrizado com carga positiva (no. elétrons < no. prótons) e é denominado íon positivo, ou cátion.

A figura abaixo ilustra o exemplo do cátion de Cloro (Cl-) e do ânion de Sódio (Na+).

O Cloro tem número atômico 17 e, portanto, tem também 17 elétrons, distribuídos em 3 camadas. Na última camada, também chamada de Camada de valência, ele fica com apenas 7 elétrons, dos 8 que poderia ter. Este potencial de receber mais um elétron na camada de valência qualifica-o como ânio, por ficar com carga negativa (-18 + 17 = -1).

Já o Sódio tem número atômico 11 e, portanto, tem apenas 1 elétron na terceira camada (de valência). Este elétron pode facilmente ser atraído por um ânion e, neste caso, o sódio transforma-se em cátion, por ficar com carga positiva (-10 + 11 = +1).

Assim, se o Cloro tende a receber um elétron na camada de valência, e o Sódio, de ceder este elétron, facilmente os dois íons vão se combinar, se estiverem em contato, formando o composto Cloreto de Sódio (sal de cozinha).

Naturalmente, cátion são atraídos ânions, e vice-versa.

Carga Total em um Corpo

Já vimos que, raramente, uma substância encontra-se neutra. E é justamente por isto que se formam as moléculas, pela atração entre os íons de cargas diferentes, formando estruturas, ligações atômicas.

Além disto, não só as substâncias, mas o tempo todo os corpos físicos, constituídos destas matérias, também são submetidos a situações de eletrificação (as quais vamos estudar na sequência), que fazem com que ganhem ou percam elétrons para o meio, ou para outros corpos.

Se um corpo contiver em si exatamente o mesmo número de cargas positivas e negativas, vai ser um corpo eletricamente NEUTRO.

Caso contrário, estará carregado eletricamente, segundo duas condições possíveis:

• corpo carregado positivamente - quando tiver um ou mais prótons A MAIS, além do número de elétrons;
• corpo carregado positivamente - quando tiver um ou mais elétrons A MAIS, além do número de prótons.

Em resumo, o que determina se um CORPO está carregado, é sempre o número de partículas EM EXCESSO, não o número total de partículas que ele contém.

A carga elétrica total Q de um corpo é uma grandeza quantizada, ou seja, ela é sempre múltiplo inteiro da carga elétrica elementar │e│=1,6.10-19C:

Q = n. e

onde n é o número de partículas, prótons ou elétrons que o corpo tem EM EXCESSO.

Por exemplo, se um corpo contiver, no total, um bilhão de elétrons e um bilhão de prótons, sua carga total é ZERO, nula. Mas se, por qualquer razão, este corpo perder 2 de seus elétrons, sua carga total passa a ser, então:

 Q = n. e 
   = 2. -1,6.10-19 
   = -3,2. 10-19 C 
   = - 0,00000000000000000032 C

Outro exemplo:

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Exercícios

Eletrização

Quando há um desequilíbrio entre o número de elétrons e o número de prótons, o corpo está eletrizado.

Para que um corpo esteja carregado positivamente, é necessário que seus prótons estejam em maior número que os seus elétrons.

Para que um corpo esteja carregado negativamente é necessário que os seus elétrons estejam em maior número que seus prótons.

Para que um corpo seja considerado neutro, seu número elétrons deve ser igual ao seu número de prótons.

Existem vários processos que podem provocar a transferência de íons, de um corpo a outro, como:

Eletrização por atrito

Quando duas substâncias são atritadas, ocorre uma migração de elétrons de uma para outra. A que recebe elé­trons adquire carga elétrica negativa (a antiga eletricidade resinosa ou negativa) e a outra, perdendo elétrons, adquire carga elétrica positiva (a antiga eletricidade vítrea ou positiva).

Vídeo sobre eletrização por atrito: [1]

Por exemplo, ao se atritar uma barra de vidro num pano de lã, elétrons passam do vidro para a lã. Em consequência, a barra de vidro adquire carga elétrica positiva (perde elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons).

Se, em vez da barra de vidro, atritarmos com a lã uma barra de resina, haverá a transferência de elétrons da lã para a resina. Então, a barra de resina adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica positiva (perde elétrons). Os esquemas seguintes ilustram o que acontece.

Série Triboelétrica

Para determinar que tipo de carga (positiva ou negativa) um corpo ficará após ter passado por um processo de eletrização por atrito.

É uma lista onde encontramos alguns materiais em ordem que obedece à propriedade de doar ou receber elétrons.

Quando a eletrização ocorre por atrito, os corpos envolvidos estão inicialmente neutros, porém, no final do processo, adquirem cargas com sinais opostos.

Ex: Lã – tendência de doar elétrons para quem está abaixo dele na lista. Se atritarmos lã e cobre, o cobre ficará carregado negativamente e a lã positivamente.

Eletrização por Indução

Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza. Esse fenômeno é chamado indução eletrostática.

A Eletrização por Indução acontece com a presença de um corpo Indutor (com carga positiva ou negativa) e um corpo Induzido ( com carga neutra). Neste processo não há contato entre os corpos e ainda assim o corpo induzido vai adquirir uma carga contrária à do indutor.

Outro detalhe é que a eletrização por indução só pode ser feita através de um fio terra, ou toque, que transfere ou escoa elétrons para um dos corpos.

Vídeo sobre indução eletrostática: [2].

Eletrização por Contato

Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza.

No início, pelo menos um deles deve estar carregado.

No final , os corpos envolvidos possuem a mesma carga e de mesmo sinal.

Vídeo sobre eletrização por contato: [3]

Considere duas esferas condutoras A e B, uma eletrizada (A) e outra neutra (B). Ao colocarmos a esfera A, positivamente carregada, em contato com a esfera B, aquela atrai parte dos elétrons de B. Assim, A continua eletrizada positivamente, mas com uma carga menor, e B, que estava neutra, fica eletrizada com carga positiva.

Essa é a maneira mais simples de se eletrizar um corpo. Quando dois corpos são encostados ou ligados por fios, pode haver a passagem de elétrons de um para o outro. Para que se realize esse tipo de eletrização, os corpos e os fios devem ser condutores, e nunca isolantes.

Podemos dizer então que, se um corpo eletrizado negativamente (com excesso de elétrons) é encostado em outro, neutro, parte de seus elétrons passará para este, que também ficará eletrizado negativamente.

Se o primeiro corpo estivesse carregado positivamente (com falta de elétrons), ele retiraria elétrons do corpo neutro, de maneira que ambos ficariam com falta de elétrons e, portanto, eletrizados positivamente.

De acordo com o princípio da conservação das cargas elétricas, a soma algébrica das cargas elétricas negativas e das cargas positivas, supondo estar o sistema eletricamente isolado, é constante. Por exemplo: Suponhamos que dois corpos A e B, isolados de qualquer influência externa, possuam inicialmente as cargas QA e QB, respectivamente.

Se eles forem colocados em contato, haverá uma troca de cargas elétricas entre eles, de modo que, após algum tempo, as cargas respectivas serão QA' e QB'.

De acordo com o princípio da conservação das cargas, podemos escrever:

QA + QB = QA' + QB'

Na eletrização por contato, a troca das cargas depende das dimensões dos condutores.

Se considerarmos que os corpos têm as mesmas dimensões e a mesma forma, sendo, por exemplo, esferas de mesmo raio, após o contato apresentarão cargas iguais.

A equação matemática que representa o equilíbrio de cargas, em condutores idênticos, é:

Q = (QA + QB)/2

Onde Q é a carga do equilíbrio eletrostático, ou seja, a carga comum aos dois corpos, após o contato.

Exemplos:

Em todos os casos a seguir as esferas são idênticas, e após colocadas em contato são separadas e cada uma delas ficará com carga Q’:

a) QA=0 e QB=-8μC

 Q’=(QA + QB)/2=(0 – 8μ)/2
 Q’= -4μC

b) QA= 2C e QB=-6C

 Q’=(QA + QB)/2=(2 – 6)/2
 Q’= -2C

c) QA=6μC, QB=-8 μC e QC= 12 μC

 Q’=(QA + QB + QC)/3=(6 μ -8 μ + 12 μ)/3
 Q’=(10/3) μC

Outros processos de eletrização

Por aquecimento

Certos corpos, quando aquecidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários em dois pontos diametralmente opostos. O fenômeno é chamado fenômeno piroelétrico. É mais comum em cristais, como por exemplo na turmalina.

Por pressão

Certos corpos, quando comprimidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários nas extremidades. O fenômeno é chamado fenômeno piezoelétrico. Também é mais comum em cristais, como por exemplo, turmalina, calcita e quartzo.

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Condutores e Isolantes

Condutores

Condutores são materiais que apresentam portadores de cargas elétricas (elétrons ou íons) quase livres, o que facilita a mobilidade dos mesmos em seu interior.

São considerados bons condutores elétricos, materiais com alto número de portadores de cargas elétricas livres e que apresentam alta mobilidade desses portadores de cargas elétricas.

Os condutores de eletricidade são meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas elétricas.

O que caracteriza um material como condutor é a camada de valência dos átomos que constituem o material. Camada de valência é a última camada de distribuição dos átomos. Em razão da grande distância entre essa última camada e o núcleo, os elétrons ficam fracamente ligados com o núcleo, podendo, dessa forma, abandonar o átomo em virtude das forças que ocorrem no interior dos átomos. Esses elétrons que abandonam o átomo são chamados de “elétrons livres”. Os metais no geral são bons condutores de eletricidade, pois eles possuem os elétrons livres.

Os materiais condutores têm larga utilização no dia-a-dia. São utilizados, por exemplo, nos fios condutores de eletricidade e na indústria de eletroeletrônicos, entre muitas outras utilizações.

 

 

 

 

Exemplos de bons condutores:

• Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) e algumas ligas metálicas;

• Grafite

• Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc.)

• Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, por exemplo as das piscinas);

• Corpo humano;

• Ar úmido.

Isolantes

Os materiais isolantes, ou dielétricos fazem o papel contrário dos condutores, eles são materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas elétricas.

São exemplos de materiais isolantes: isopor, borracha, vidro, e muitos outros. Esses materiais são assim caracterizados porque os elétrons da camada de valência estão fortemente ligados ao núcleo, não permitindo dessa forma que ocorra a fuga dos mesmos. Os materiais isolantes são largamente utilizados, assim como os materiais condutores. São utilizados, por exemplo, na parte externa dos fios, encapando-os para melhor conduzir a eletricidade.

Os materiais isolantes se caracterizam por não apresentar portadores de cargas elétricas livres para movimentação. Nesses materiais, a mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula, ficando os mesmos praticamente fixos no seu interior.

 

 

 

 

Exemplos de maus condutores:

• Borracha, madeira, cortiça;

• Vidro, porcelana;

• Plástico;

• Têxteis (lã, seda, etc.);

• Água desionizada, água bastante açucarada;

• Ar seco.

Outros materiais

Semicondutores

Uma determinada substância pode ser classificada como condutora ou isolante, dependendo de quão fortemente seus átomos seguram os elétrons. Um pedaço de cobre é um bom condutor, enquanto um de madeira é um bom isolante. Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores, nem bons isolantes. Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura e tornando-se excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina.

Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores. O principal fenômeno físico que permite o comportamento semicondutor chama-se Efeito Hall.

Camadas finas de materiais semicondutores empilhadas juntas formam os transistores, usados para controlar o fluxo de corrente em circuitos, detectar e amplificar sinais de rádio e produzir oscilações elétricas em tranmissores; atuam também como chaves digitais. Esses minúsculos sólidos foram os primeiros componentes elétricos em que materiais com características elétricas diferentes não foram conectados por fios, mas unidos fisicamente numa só estrutura. Eles requerem muito pouca potência e, usados normalmente, duram longo tempo.

Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente. Se uma placa de selênio carregada for exposta a um padrão luminoso, tal comoo padrão de claro e escuro que constitui esta página, por exemplo, a carga escapará apenas das áreas expostas à luz. Se um pó plástico preto fosse espalhado sobre ela, ele grudaria apenas nas áreas que estão carregadas, onde a placa não foi exposta à luz.

Agora, se um pedaço de papel, com uma carga elétrica localizada sobre seu verso, fosse colocado sobre a placa, o pó plástico preto seria transferido para o papel, formando o mesmo padrão que digamos, o desta página. Se o papel fosse, então, aquecido de modo a derreter o plástico e a fundí-lo com o papel, você poderia pagar alguns centavos por ele, e chamá-lo de cópia xerox.

1. Em baixas temperaturas os semicondutores comportam-se como bons isolantes.
2. A condutividade dos semicondutores aumenta com a temperatura, efeito contrário à maioria dos condutores.
3. O processo que melhora a condutividade dos semicondutores em temperatura ambiente é denominado como dopagem.
   
4. O processo de dopagem cria novas propriedades elétricas, sendo o controle de corrente a mais utilizada. 6. Os semicondutores puros não têm cargas livres, ou seja, para cada elétron fora da estrutura cristalina existe uma lacuna na estrutura. A esse processo dá-se o nome de criação de pares de elétrons lacunas.
5. Semicondutores Intrínsecos;
6. Para que os semicondutores sejam utilizados precisam estar em uma estrutura cristalina, ou seja, seus átomos devem obedecer a uma distribuição tridimensional regular e bem definida. Isso implica que o processo de fabricação prime pela obtenção de uma estrutura simétrica e de altíssima pureza.
7. Os semicondutores que mais são utilizados atualmente são: germânio, silício, arseneto de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arseneto de índio.
8. O processo de dopagem usualmente utiliza elementos tetravalentes: elementos que possuem três elétrons na última camada. Também são utilizados elementos pentavalentes, elementos que possuem 5 elétrons na última camada.

Para saber mais sobre semicondutores: [4]

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Supercondutores

Um condutor ordinário oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica.

Um isolante oferece uma resistência muito maior (abordaremos o tópico sobre resistência elétrica mais à frente).

Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinadas materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga.

Esses são os materiais supercondutores.

Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Sem resistência elétrica alguma a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga.

A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911. Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto não-metálico. Presentemente, estão sendo objeto de intensas pesquisas materiais que são supercondutores tanto em baixas como em altas temperaturas. As potenciais aplicações incluem transmissão de energia agrandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens.

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