Eletrização, condutores e isolantes

FÍSICA E ELETROMAGNETISMO
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As ciências em geral, e a física em particular pretendem descrever o universo material.
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Um dos bem sucedidos objetivos da física tem sido a descrição dos constituintes deste
universo material e a interação entre estes constituintes .
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O comportamento dos constituintes da matéria se revela através de eventos físicos –
acontecimentos no mundo material - que as teorias/modelos teóricos se esforçam por
descrever.
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A descrição dos eventos físicos pressupõe a existência de palco onde eles ocorrem.
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A tríade/trindade teórica da física
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1º elemento da tríade
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O espaço-tempo – grandezas que permitem descrever onde e quando os eventos físicos
ocorrem.
Na Física clássica (baixas velocidades comparadas com a da luz e grandes dimensões
comparadas com átomos):
Espaço: vazio, infinito, tridimensional, homogêneo, isotrópico e independente do tempo
Tempo: unidimensional, uniforme, infinito e independente do espaço
Na física relativística (Einstein- 1905)
O espaço-tempo é entidade única (elementos de um vetor quadridimensional) e se
constituem no palco onde os eventos transcorrem.
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A tríade/trindade teórica da física
2º elemento da tríade
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Matéria-campos: os diferentes atores materiais são as entidades físicas envolvidas
nos acontecimentos (eventos físicos) que ocorrem no espaço-tempo.
3º elemento da tríade
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Interação-movimento (dinâmica) - determinam as “peças” (eventos-físicos) que os
“atores materiais”, dadas suas características, podem representar.
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A TRÍADE/TRINDADE TEÓRICA
PALCO {
espaço-tempo
ATORES { matéria-campos
PEÇA { dinâmica (interação-movimentos)
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MATÉRIA-CAMPOS: um conceito circular
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A matéria é constituída de entes básicos que se localizam no espaço e “vestem” o espaço
ao seu redor com o campo a ela associado.
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A partir da interação (forças) entre entes-básicos constituintes da matéria, que acontece
através da intermediação dos campos nos espaços que os circundam, são formados os
aglomerados de matéria, que por sua vez, evidenciam a interação entre seus constituintes.
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Os campos são uma parte real, mas não material, do objeto material que preenchem o
espaço que circunda o objeto.
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As cargas elétricas estáticas e seus campos
Propriedades básicas
• Eternos – as cargas são grandezas escalares conservadas e o campo elétrico a elas
associadas é de natureza vetorial, e é indestrutível. Unidade no sistema internacional:
Coulombs (C).
• Dois tipos – cargas positivas (+) e negativas (-) - as cargas e seus campos podem ter seu
efeito anulado pela presença de carga de igual intensidade e de tipo diferente (ainda que
cargas e campos sejam eternos).
• Quantizadas – existe uma quantidade elementar de carga (e=11,6X10−19C), e qualquer
carga é um número inteiro (soma algébrica) destas cargas elementares. O campo das muitas
cargas é a soma (vetorial) dos campos de cada carga.
CAMPO ELETROSTÁTICO DE CARGAS PUNTIFORMES
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Características gerais do campo eletrostático de cargas:
1. tem natureza vetorial;
2. tem, num dado ponto do espaço, direção na linha que une a carga ao ponto, e sentido
“saindo da carga” positiva e “entrando na carga” negativa;
3. tem módulo proporcional ao valor da carga, e inversamente proporcional ao quadrado
da distância do ponto à carga;
4. sua unidade no sistema internacional é Newton por Coulomb (N/C), ou seja, força por
unidade de carga.
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CARGAS ELÉTRICAS NA MATÉRIA – ISOLANTES & CONDUTORES
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O modo como a carga elétrica se distribui em corpos de dimensões macroscópicas dependem,
essencialmente, da possibilidade de locomoção das cargas dentro dos mesmos.
A mobilidade das cargas nos materiais está associada a aspectos da estrutura atômica
do material.
Isolantes ou dielétricos (ideais) são materiais (sólidos, líquidos ou gasosos) nos quais as
cargas elétricas não conseguem se deslocar de um ponto a outro. Exemplos: plásticos,
borracha, madeira, cerâmicas.
Condutores (ideais) são materiais (sólidos, líquidos ou gasosos) nos quais há cargas com
grande facilidade de locomoção. Exemplo: metais.
A ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA : AS CARGAS e sua mobilidade
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• A matéria é neutra em seu estado natural. Mas não por ausência de cargas elétricas, mas
porque tem igual quantidade de cargas positivas e negativas;
• As cargas negativas estão essencialmente nos elétrons dos átomos, enquanto as positivas
estão nos prótons dos núcleos atômicos;
• Nos materiais isolantes os elétrons são essencialmente ligados a um único átomo ou
molécula, sendo que os átomos e moléculas também são ligados uns aos outros, não
havendo mobilidade das cargas da matéria.
• Nos materiais condutores, há em média, de um a um e meio elétrons por átomo que têm
pequena ligação com os núcleos atômicos/moléculas, e grande mobilidade na rede do
condutor. Estes são chamados elétrons livres.
• Os elétrons têm massa da ordem de duas mil vezes menor que a dos prótons. Por outro lado,
eles têm ligações atrativas com os núcleos muito menos fortes que as ligações atrativas entre
os constituintes dos núcleos (prótons e neutrons). Assim, é muito mais fácil mover e/ou tirar as
cargas negativas do que as positivas dentro da matéria. Em particular, os chamados elétrons
livres dos metais podem se mover nos materiais com grande facilidade, daí serem também
chamados de elétrons de condução (elétrica).
• O efeito macroscópico de igual número de cargas positivas e negativas muito próximas uma
das outras, no caso das distribuições naturais das cargas na matéria (os átomos têm
dimensões de aproximadamente 10-10m), resulta, em geral, em campo elétrico nulo fora da
matéria (nos condutores e nos isolantes).
•
Materiais semicondutores têm uma capacidade de condução intermediária entre os
condutores e isolantes, mas não se trata de condutores e isolantes reais. A razão pela
qual conduzem eletricidade depende de estruturas atômicas de caráter quântico,
diferentemente da condução em condutores, que tem descrição clássica plausível.
•
Materiais supercondutores têm grande capacidade de condução elétrica, e são
descritos por fenômeno quântico, de natureza diferente da condução nos
semicondutores.
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CONDIÇÕES AMBIENTAIS e as características de condução elétrica
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Condições de temperatura podem influir sobre a capacidade de mobilidade das cargas nos
condutores, transformando-os em isolantes.
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Impurezas na superfície e umidade no ar podem influir na imobilidade das cargas em
materiais isolantes. Em função da condição de limpeza e umidade do ar, um material isolante
pode se tornar condutor.
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FENOMENOLOGIA DA ELETROSTÁTICA
a localização das cargas nos materiais, e o campo elétrico no espaço ao seu redor
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• As cargas colocadas numa dada região de isolante tendem a permanecer onde foram
colocadas.
• Nos condutores, as cargas com mobilidade tendem a se distribuir de maneira a anular o
campo dentro dos condutores. O resultado da distribuição de equilíbrio estático favorece
maior concentração de cargas nas regiões superficiais e de menor raio de curvatura.
Este efeito é chamado de “poder das pontas” dos condutores.
• Um corpo com maior número de cargas de um sinal numa dada região macroscópica do
material, mesmo que tenha igual quantidade de carga oposta em outra região macroscópica,
tem um campo elétrico não nulo no espaço em torno de si.
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FENOMENOLOGIA DA ELETROSTÁTICA
os processos de eletrização
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Eletrização é o processo de colocar um excesso de carga de dado sinal num corpo;
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Pode-se eletrizar (ou carregar) isolantes por atrito com certo tipo de material;
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FENOMENOLOGIA DA ELETROSTÁTICA
o processo de indução eletrostática
• A indução eletrostática é um fenômeno típico de ação de campo elétrico. Por exemplo, corpo
eletrizado tem campo elétrico no espaço ao seu redor. Se for colocado um corpo neutro nesta
região do espaço, haverá uma interação atrativa com as cargas de sinal oposto e repulsiva
com as de mesmo sinal, fazendo com que haja uma redistribuição de cargas no corpo neutro.
As cargas de sinal oposto ficam mais próximas e as de mesmo sinal ficam mais afastadas das
cargas indutora, enquanto na presença do campo elétrico.
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FENOMENOLOGIA DA ELETROSTÁTICA
o processo de eletrização por indução
•
Se o corpo neutro que está na presença do carregado for condutor, e se, ainda na presença
do campo elétrico for ligado um fio ligando o condutor à Terra, ele ficará carregado com carga
de sinal oposto ao das cargas indutoras. Este fenômeno é chamado de eletrização por
indução.
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PROCESSOS MOLECULARES NA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA
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O fenômeno de indução acontece por efeito de polarização molecular, isto é, as cargas das
moléculas têm um pequeno deslocamento (da ordem da dimensão molecular: 10-10m) em
sentidos contrários, fazendo com que o centro das cargas positivas se desloque em relação ao
centro das cargas negativas, formando um dipolo elétrico.
Nos condutores, além da polarização molecular, há também deslocamento dos elétrons livres.
Fonte: http://plato.if.usp.br/2-2003/fge2295d/fis3poli2003aulas1e2.doc