Carga Elétrica

Aula 1_1
Carga
Elétrica
Física Geral e Experimental III
Prof. Cláudio Graça
2012
Capítulo 1
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.
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
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.
Carga Elétrica
• O que é a carga elétrica? Partículas sub-atômicas, tamanho, modelo
atômico
Partícula
Massa
(grama)
Massa
relativa
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
Elétron (-)
9,1.10-28
1/1840
-1,6.10-19
-1
Carga Elétrica
Qual o significado de um corpo eletricamente carregado?
• 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
Como ocorre a corrente 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
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.
Atrito
Contato
Indução
Eletrização: condutores e isolantes
•
Materiais Condutores Elétricos
Elétrons quase livres: metais
•
Materiais Isolantes
Não possuem elétrons livres: vidro, porcelana,
plásticos
Eletrização de Condutores
Eletrização de Isolantes
Eletrização por efeito do campo elétrico
externo, sobre um condutor produzindo
separação de cargas
Eletrização por efeito do campo elétrico
externo, sobre um isolante produzindo a
polarização ou mesmo ionização superficial
Distribuição uniforme de carga
Distribuição localizada da carga
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
Distribuição localizada da carga
Eletrização: Modelo de eletricidade
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?
Átomo de Cobre:
Z=29(prótons), N= 34(nêutrons),
29 Elétrons
Pergunta: Qual é a carga elétrica no material responsável pela condução
elétrica, e quantos elétrons participam da corrente elétrica?
Cobre (Cúbica de Face Centrada)
Condutor de cobre
L= 1cm e raio 0,005 cm
N A  6,02 10 23 átomos/mol 8,92 g / cm3
ne 

1 elétron/átomo
M
6,5 g / mol
 8,5 10 22 elétrons/cm3
N e  ne  ( L   r 2 )  8,5 10 22  7,854  10-5  6,675 1018 elétrons
Carbono e diamante
Compare com a população da terra!
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
L=8
M=18
N=1
2n2 = 2x12 = 2
2n2 = 2x22 = 8
2n2 = 2x32 = 18
29P
K
L
M
N
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
Negativos (Ganham eletrons facilmente)
Medida da carga elétrica
•
•
•
•
Eletroscópios
Eletróforo
Eletrômetro digital
Balança de Coulomb
Medida da carga elétrica: eletroscópios
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…
++++++ ++++++
- --++++++++
-- -- -- -- -- - ------
Terra
------
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
eletrostática. Foi inventado em 1775, por Alessandro Volta.
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:
q   ne, n  1, 2,3,...
e  1.60 10
19
C
 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
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*109 = seis
bilhões de unidades de carga ou elétrons.
Conservação de Carga
Conservação da carga elétrica é o princípio em física que estipula que a carga
elétrica não pode ser criada ou destruída
• O atrito não produz carga, simplesmente transfere
carga de um corpo para outro, ou melhor polariza..
• Reações nucleares

• Decaimento radioativo 
0 = e+ + e238U
92
= 234Th90 + 4He2
• Reações de alta energia  e- + p+ = e- + p+ + n0
Lei de Coulomb
O experimento de Coulomb
Charles A.Coulomb (1736 – 1806)
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 comparar os torques produzidos pela repulsão entre
as esferas carregadas e o torque resistente
oferecido pela fibra.
F = k·[q1·q2]/d2
Cargas elétricas - Unidade de carga
1 coulomb = 1 C
Na qual b é o braço de alavanca do experimento
k = 9×109 N/C2·m2
d = distância entre as cargas em “m”
Para comprovar a lei basta determinar o expoente 2
Lei de Coulomb
F k
q1q2
r
2

1
q1q2
4 0 r
2
F1 and F2 são um par de
ação e reação
3a lei!
r = distância = separação e não é um
raio!
A constante 0 é bem conhecida em termos da velocidade da luz cujo valor é
conhecido com exatidão (define o metro!) :
0 
k
1
1
12 C2


8.8541878...

10
Nm2
0c 2 4 107 NA-2   299792458 ms-1 2
1
4 0
 8.99 10 (SI)
Principio da
Superposição:
9
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.
Ftot  F1  F2  F3  ...
Lei de Coulomb
Comparação de forças:
Elétrica x Gravitacional
.
* Para um próton,
m1
m = 1.67 X 10-27 kg
F elec
F grav
m1 m2
=G
r2
F
F
m1
q = 1.6 X 10-19 C
1 q1q2
=
4 0 r 2
q1


r
F elec
F grav
q2
m2
m2
1
q 1 q 2 4 0
=
m1 m2 G
Felec
 1.23  10  36
Fgrav
Nota: a menor força existente na
natureza!
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.
Qq
F k 2
r
Princípio da Superposição
Força elétrica produzido por mais que uma
carga pontual
•

F
1
Qual é a força que atua em –q, devido a
-q
q1 e q2?
–
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 = F1 + F2
+q1

F
F2
+q2
Princípio
da
Superposição
Princípio da Superposição
Como se aplica a lei de Coulomb quando se consideram
mais de duas cargas?
Princípios da Eletrostática
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
http://www.coe.ufrj.br/~acmq/eletrostatica.html
Eletroscópio e Eletrômetros
http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_T05.asp
Isolantes: ÂMBAR
Foi Gilbert que denominou os
Fenômenos de atração e repulsão
por materiais atritados de fenômenos
Elétricos (da palavra grega âmbar =Elektron)
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
O âmbar é uma resina fóssil 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.
Garrafa de Leiden
Máquinas Eletrostáticas
Máquinas Eletrostáticas
Máquina eletrostática de
Wimshurst, inventada em
1883 por James Wimshrust
(1832-1903)
Primeira máquina eletrostática, inventada por Otto von
Guerricke (1602–1686), por
volta de 1663
Máquinas Eletrostáticas
Gerador
Eletrostático do
nosso Laboratório,
também é um
Van de Graaff
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
Máquina de Wimshurst
Pintura Eletrostática
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
tanques no solo