AULA 2 - Eletricidade Básica - FIC
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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.
MOLÉCULAS E ÁTOMOS
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.
CARGA ELÉTRICA
É uma propriedade ligada à natureza de um corpo responsável pela interação elétrica entre os corpos, ou seja, de atração e repulsão. 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 , onde o coulomb (C) é a unidade de carga elétrica no sistema internacional (SI).
Ou seja:
- carga do próton: +1,6.10-19 C = + 0,00000000000000000016 C
- carga do elétron: - 1,6.10-19 C = - 0,00000000000000000016 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.
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, isto é: # elétrons = # prótons.
Ou seja, a carga total naquela substância é nula, = 0 , porque as cargas positivas anulam as cargas negativas do átomo, como na figura acima.
Importante:
Submúltiplos do coulomb (C):
- 1 mC (milicoulomb) = 10-3 C
- 1 μC (microcoulomb)= 10-6 C
- 1 nC (nanocoulomb)= 10-9C
- 1 pC (picocoulomb)=10-12C
Para entender melhor >> NIVELAMENTO MATEMÁTICO - prefixos e notação científica
Para aprender mais sobre o átomo:
Íons
Como os elétrons são fracamente presos ao átomo e como estão nas camadas externas do átomo 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
O átomo neutro que ganhou elétrons passa a ser eletrizado com carga negativa (# elétrons > # prótons) e é denominado íon negativo, ou ânion.
O átomo neutro que perdeu elétrons passa a ser eletrizado com carga positiva (# elétrons < # 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, cátions são atraídos por ânions, e vice-versa.
CARGA TOTAL EM UM CORPO
Com exceção dos gases nobres, 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, que o número de elétrons;
- corpo carregado NEGATIVAMENTE- quando tiver um ou mais prótons A MENOS, que o número de elétrons.
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 C = -3,2. 10-19 C = - 0,00000000000000000032 C
Outro exemplo:
Exercícios
ELETRIZAÇÃO
Quando há um desequilíbrio entre o número de elétrons e o número de prótons, o corpo está eletrizado.
Em outras palavras, a carga total Q deste corpo é diferente de zero.
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 e a outra, perdendo elétrons, adquire carga elétrica positiva.
Vídeo sobre eletrização por atrito: Me Salva! ELT05 - Eletrostática - Eletrização por atrito
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, que escoa elétrons de um dos corpos.
Vídeo sobre indução eletrostática: [1].
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: [2]
A eletrização por contato pode ser extremamente danosa na indústria de eletroeletrônicos:
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.
Exercícios:
CONDUTIVIDADE DOS MATERIAIS
O comportamento elétrico dos materiais está diretamente relacionado ao número atômico de cada substância, e ao Diagrama de Pauling!
Vale dar uma olhada na Tabela Periódica para entender:
Condutores
O que caracteriza um material como condutor é a camada de valência dos átomos, que 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 a que estiverem submetidos externamente (campo elétrico, campo magnético, LUZ, temperatura, etc).
Desta forma, 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.
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.
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.
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.
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 evitar que haja contato elétrico entre diferentes fios (isolação), ou mesmo choque elétrico.
Os materiais isolantes se caracterizam por não apresentar portadores de cargas elétricas livres para movimentação.
Exemplos de bons isolantes (maus condutores):
- Borracha, madeira, cortiça;
- Vidro, porcelana;
- Plástico;
- Têxteis (lã, seda, etc.);
- Ar seco;
- Água pura (desionizada).... Hããã??????
Afinal, a água conduz, ou não, eletricidade???
Nesses materiais, a mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula, ficando os mesmos praticamente fixos no seu interior.
Semicondutores
Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores.
Certos materiais, tais como o germânio e o silício, distinguem-se por não serem bons condutores, nem bons isolantes.
Esses materiais recaem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura.
Porém, quando submetidos a um processo chamado de dopagem, no qual, à ordem de apenas um átomo em 10 milhões seja substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina, nesta circunstância, os materiais semicondutores tornam-se excelentes condutores.
Materiais do tipo P são dopados com substâncias, como Boro (B), Alumínio (Al) e o Gálio (Ga), que possuem apenas 3 elétrons na camada de valência. Cada um destes três se combina com outros três e- do silício, em ligações covalentes. Porém, obviamente fica faltando um e- de silício, que não consegue se combinar com ninguém. Este é o fenômeno que gera as "lacunas" positivas, nas moléculas de silício + impureza.
Materiais do tipo N são dopados com substâncias como o Arsênio (As), Antimônio (Sb) e o Fósforo (P), que possuem 5 elétrons na camada de valência, o que vai gerar um e- livres, em cada ligação com átomos de silício.
O principal fenômeno físico que permite o comportamento semicondutor chama-se Efeito Hall.
Ao se ligar fisicamente dois materiais semicondutores "dopados", um com lacunas, e o outro com elétrons livres, e na presença de um campo elétrico direto, se criará o efeito em uma Junção PN que permitirá a ambos conduzirem:
Para entender melhor, leia o material do Prof. MSc. Thiago Ribeiro de Oliveira, IFMG, no meu material da disciplina de Eletrônica Geral: Eletrônica Geral 1 - Junção PN e diodo
Vídeo sobre materiais semicondutores: Dopagem
Para saber mais sobre semicondutores: [3]
Supercondutores
Um condutor ordinário oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica.
A corrente elétrica durante o processo de transporte, que vai das usinas geradoras até os centros consumidores, sofre significativa perda de energia. Essa perda ocorre em razão da resistência elétrica dos fios condutores de eletricidade. Ocorre que boa parte da energia elétrica é transformada em energia térmica, sendo dessa forma dissipada para o meio ambiente. Como forma de diminuir essa perda de energia usa-se fios condutores com baixa resistência, como o cobre, por exemplo, e conduz a corrente sob alta tensão, mas mesmo assim em distâncias que ultrapassam 400 km as perdas ainda acontecem, podendo chegar até 20%. Em virtude disso, muitos cientistas buscam conseguir os chamados condutores ideais, aqueles que conduzem energia elétrica sem que ocorram perdas para o meio ambiente. Será possível conseguir esse tipo de condutor?
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.
A supercondutividade é uma propriedade física que certos materiais apresentam quando são esfriados a temperaturas extremamente baixas, podendo conduzir corrente elétrica sem resistências e nem perdas de energia.
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.
Esse fenômeno foi descoberto em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlimgh-Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia ao ser resfriado a 4K, o que corresponde a – 269,15 °C, dessa forma, ele acabava de tornar o mercúrio um material supercondutor. Esse fenômeno, conseguido com o mercúrio, foi verificado para outros metais, no entanto não foi permitida a aplicação, pois eram necessários muitos gastos para conseguir manter temperaturas muito baixas.
Foi com o trio de físicos americanos Jonh Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, que em 1972 surgiu a explicação para o fenômeno da supercondutividade, fato que deu a eles o prêmio Nobel da física naquele ano. O que fez a explicação deles ser tão importante foi o fato de eles mostrarem que esse fenômeno não está ligado somente à diminuição da agitação térmica dos átomos e moléculas de um material, quando esse está sob baixas temperaturas. Dessa forma, surgiu a ideia da possibilidade da existência desse fenômeno com temperaturas muito elevadas, mas as experiências com condutores metálicos relacionadas a essa possibilidade não deram resultados.
Anos mais tarde os físicos da IBM, o suíço Karl Alexander Muller e o alemão Johannes G. Bednorz, conseguiram a supercondutividade a 35 K, o que corresponde a – 238 °C. Graças às suas descobertas e à comprovação da supercondutividade que esses dois físicos cientistas ganharam, em 1986, o prêmio Nobel de Física. Esse fato foi um grande avanço para toda ciência e permitiu avanços significativos em vários ramos de pesquisas.
A supercondutividade é muito importante e tem larga aplicação. Essa propriedade não é aplicada somente na transmissão de energia elétrica, mas também em várias outras como:
- Na construção de magnetos supercondutores que geram campo magnético extremamente forte, os quais possibilitam a construção dos chamados aceleradores de partículas;
- Nos aparelhos eletrônicos que funcionam à base de eletricidade, diminuindo o seu tamanho e o gasto de energia dos mesmos;
- Nos fios supercondutores utilizados em computadores, permitindo que os chips sejam cada vez menores e mais rápidos no processamento de dados;
- Em ímãs, permitindo que eles possam flutuar sobre a superfície de um material supercondutor. Esse fato possibilita a construção e operação dos chamados trens bala, os quais trafegam apenas flutuando sobre o trilho.
Para saber mais sobre supercondutores:
TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
Célula Fotovoltaica É composta por materiais semicondutores que formam uma junção PN • A região de separação entre os materiais P e N é denominada junção PN
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