força elétrica

CONHECENDO A ELETRICIDADE
A eletricidade é o resultado da existência de carga
elétrica nos átomos que constituem a matéria. Como se sabe,
um átomo é composto por prótons (cargas positivas), elétrons
(cargas negativas) e nêutrons, que não possuem carga. Os
prótons e os nêutrons ficam no interior do núcleo do átomo,
os elétrons ficam na eletrosfera (ao redor do núcleo).
Atualmente há muitas formas de se utilizar a
eletricidade, pois o homem já tem bastante conhecimento
a seu respeito.
Há muitos termos utilizados quando se fala sobre
conexão
com
a
eletricidade.
Contudo,
os
mais
importantes, são os chamados positivo e negativo.
Na eletricidade os opostos realmente se atraem, uma
vez que tudo aquilo que possui carga negativa atrai tudo o
que possui a carga positiva; entretanto, sabe-se que quando existem
duas cargas carregadas de igual modo, elas se repelem.
Os elétrons buscam constantemente passar de um ponto
negativo para outro positivo. No caso de alguns materiais, como, por
exemplo, o cobre e outros metais, é possível que os elétrons circulem
facilmente entre as cargas negativas e positivas.
Estes metais são conhecidos como condutores. O movimento
dos elétrons ao longo de um condutor é chamado de corrente elétrica.
A corrente contínua ocorre quando a um fluxo constante de elétrons
pelo condutor. Enquanto que a corrente alternada tem um fluxo de
média zero, embora este valor nulo não ocorra todo tempo. Neste
último caso, o fluxo de elétrons muda de direção continuamente. Há
certos materiais, como a borracha, a porcelana e vários tipos de
plásticos, que impedem a passagem dos elétrons, estes tipos de
materiais são chamadas isolantes.
A DESCORBETA DA ELETRICIDADE
Embora a descoberta da eletricidade tenha se desenvolvido
apenas no século XX, o estudo dos fenômenos elétricos tem uma
longa história.
Em geral, atribuem-se aos gregos antigos as primeiras
observações desses fenômenos. Eles notaram que o âmbar (espécie
de resina) depois de atritado atraía pequenos corpos, como
fragmentos de palha ou de penas. Daí surgiu a palavra elétrico, que
provém do termo eléktron (âmbar, em grego) .
No entanto o estudo mais aprofundado dos fenômenos
elétricos só se iniciou em 1762, quando Otto Von Guericke
uma maquina capaz de produzir eletricidade.
Já em 1729, Stephen Gray descobriu a transmissão de
eletricidade de um corpo para outro, e propôs uma separação
dos materiais existentes na natureza em dois grandes grupos:
condutores e isolantes mencionados anteriormente.
A distinção entre condutores e isolantes fez com que a
eletricidade fosse comparada a um fluido contido nos corpos,
capaz de escorrer de um corpo para outro.
Mas nem todos concordavam com essa idéia de
fluido. Charles François Du Fay, em 1773, dizia que existia
uma eletricidade “vítrea”, obtida por fricção do vidro, o qual
após ser friccionado, atraía corpos; e a eletricidade
“resinosa”, obtida por fricção de âmbar ou de resina. Hoje se
sabe que a eletrização se dá por falta ou excesso de elétrons
em corpos.
Fay afirmava que os corpos dotados de
eletricidade do mesmo tipo (dois vidros, por exemplo) se
repeliam entre si, ao contrario daqueles dotados de
eletricidade de diferentes tipos, que, por sua vez, se atraíam.
O cientista e político norte-americano Benjamin
Franklin, em 1747, afirmou que na natureza existe apenas um
tipo de fluido elétrico, presente em todos os corpos, que
jamais é criado ou destruído ao passar de um corpo para
outro. Para ele, os dois tipos de eletricidade propostos por Du
Fay podiam ser explicados pela falta ou excesso desse fluido
único. A eletricidade vítrea era aquela em havia excesso de
fluido, por isso era apresentada com um sinal positivo (+), enquanto
a eletricidade resinosa era aquela em que faltava esse fluido, sendo
representada pelo sinal negativo (-). Assim, segundo Franklin, o
fluido ia da parte positiva (em excesso) para a parte negativa (em
falta). Vem daí os famosos “sinais de cargas”.
Essas descobertas sobre os fenômenos elétricos despertaram
não somente o interesse dos cientistas, mas também o entusiasmo da
população. Surgiram ate brincadeiras inspiradas na eletricidade,
como um jogo de salão em que as pessoas formavam uma cadeia
humana, dando se as mãos. As duas pessoas que se encontravam nas
extremidades da cadeia tocavam dois corpos eletricamente
carregados com excesso de fluido, como a garrafa de Leyden, ou
falta de fluido, por exemplo, um metal qualquer. Quando o “fluido”
passava pelas pessoas havia um choque, as pessoas estremeciam e
riam bastante.
Em 1750, o físico inglês John Mitchell tentou calcular a
intensidade da atração entre um corpo positivo e um negativo,
formulando uma lei de atração semelhante à lei da gravitação
universal de Isaac Newton. Mitchell afirmava que a intensidade da
forca diminuía com o quadrado da distancia. Mas não seguiu adiante
em seus cálculos.
Em 1785, Augustin de Coulomb postulou a existência de uma
lei semelhante para a atração e repulsão entre os “fluidos elétricos”.
Essa lei tem formula análoga à lei da gravitação de Newton,
diferindo basicamente no agente causador dessa lei: para Newton, a
força de atração da gravidade resultava da massa de um objeto, que
era sempre atrativa ( a Terra, por exemplo, sempre nos atrai). Para
Coulomb, a força de atração elétrica resultava dos “fluidos” e
poderia ser atrativa ou repulsiva, uma vez que para ele, havia
dois tipos de “fluidos” como mostra o esquema abaixo:
F Q1
+ Q2 F
+ Q2
d
F
-Q2
d
Mesmo sinal: repulsão
Sinais opostos: atração
A lei de Coulomb foi aceita pela maioria dos
cientistas por um período. Mas, em 1780, um professor
italiano de anatomia, Luigi Galvani, descobriu a corrente
elétrica. Ele observou que, quando se encostavam duas placas
de metal, carregadas com sinais diferentes, ao corpo de uma
rã utilizada como cobaia, suas patas se contraiam fortemente.
Algumas pessoas, ao saber disso, acharam que a eletricidade
era uma característica dos organismos vivos, capaz de
permanecer mesmo após a morte!
Alessandro
Volta,
porem,
ao
estudar
mais
detalhadamente o fenômeno, compreendeu que o fato de a rã
contrair as patas não se devia à própria rã, mas às placas
metálicas.
As cargas negativas passavam por entre as patas,
fazendo-as movimentarem-se. Na verdade, não era a rã, mas,
sim, os impulsos elétricos os responsáveis pelos movimentos.
Segundo Volta, aliás, dependendo da intensidade da contração das
patas da rã, era possível calcular a corrente elétrica que passava pelo
seu corpo.
Volta construiu um dispositivo sobrepondo um grande
número de placas de zinco, de cobre e de papelão, embebidas em
ácido, que conduziam a eletricidade mais fortemente do que a rã.
Surgiu assim a pilha de Volta, o primeiro tipo de pilha de que se tem
noticia.
Ainda sobre a eletricidade é importante ressaltar que a mesma
está
dividida
em
três
partes:
• Eletrostática – estuda as cargas elétricas em repouso;
• Eletrodinâmica – é o estudo das cargas elétricas em
movimentação, ou seja, o estudo de corrente elétrica e das
propriedades
dos
circuitos
que
são
percorridos
por
ela.
• Eletromagnetismo – nessa parte são estudadas as relações entre a
eletricidade e o magnetismo, bem como a ligação entre os fenômenos
magnéticos e elétricos.
PRIMEIRAS IDÉIAS SOBRE O MAGNETISMO
Assim como os fenômenos elétricos, os gregos já tinham
observado fenômenos magnéticos. Quando os mesmos iam para uma
cidade chamada Magnésia, eles encontravam uma pedra chamada,
em grego, de “mangnês”, que possuía a propriedade de atrair alguns
metais (na época, somente conheciam o ferro).
No século XI, o sábio chinês Chen Koua fez uma experiência
com uma agulha imantada flutuando sobre um liquido. Ele propôs
que a mesma fosse utilizada para a navegação, uma vez que
sempre apontava para o norte. Daí nasceu à bússola.
Já no século XIII, o francês Pierre Pélerin de
Maricourt descobriu que a forca atrativa do imã concentravase em dois pontos, chamados de pólos, sempre orientados,
aproximadamente, no sentido norte-sul da esfera terrestre.
Também foi verificado que os pedaços de ferro eram atraídos
com maior intensidade pelos pólos do imã. Para você
compreender melhor, imagine um imã em forma de barra. Se
fossem distribuídos pequenos pedaços de ferro- chamados de
limalha- sobre ele, eles se acumularão nas extremidades da
barra, o que significa que a limalha é atraída mais fortemente
para essas extremidades, ou pólos.
Há uma convenção utilizada para se denominar “pólo
sul magnético” e “pólo norte magnético”: quando um imã
gira livremente, a extremidade que apontar para o norte
geográfico da Terra é chamada “pólo norte magnético” do
imã. A extremidade que apontar para o sul é chamada “pólo
sul magnético”.
Em 1600, William Gilbert publicou um livro
contendo um estudo aprofundado e unificado dos fenômenos
magnéticos. No livro, propunha, entre outras coisas, que os
pólos opostos de dois imãs se atraíam, enquanto os pólos
iguais se repeliam.
Gilbert apresentava, também, a idéia revolucionária
de ação a distancia, segundo a qual os imãs atraíam os metais
mesmo a distancia (seria o mesmo que dizer que uma pessoa
consegue mover um objeto que esteja fora de seu alcance!). Para
tanto, os imãs emitiram correntes fechadas invisíveis, chamadas por
ele de effluvias que, ao retornarem, arrastariam os objetos em direção
aos imãs. Essa idéia, apesar de criativa, foi substituída mais adiante.
Como, desde Newton, os cientistas queriam unificar todas as
teorias, houve tentativas de unificar fenômenos elétricos e
magnéticos. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que a
passagem de uma corrente elétrica por um fio condutor desvia uma
agulha imantada que esteja próxima. No entanto ao contrário do que
o modelo de força de Coulomb sugeria, a força que movimenta
agulha não era paralela, mas perpendicular ao fio condutor. E, além
disso, quando colocada acima do fio, a agulha tomava uma direção
contrária àquela observada quando estava sob o fio, sem que, nesse
caso houvesse qualquer tipo de modificação na corrente do fio!
Assim, Oersted teve a impressão de que a linha de força
(linha ligando dois corpos que aponta a direção da força) de origem
magnética era um circulo em torno do fio. E, por isso, a lei de
Coulomb não poderia explicar o fenômeno.
A observação feita por Oersterd, mais do que nunca, deveria
unificar eletricidade e magnetismo e foi isso que procurou fazer o
francês André Marie Ampère. Ao efetuar medidas precisas, ele
descobriu que uma corrente elétrica não só cria um magnetismo que
desvia uma agulha imantada, mas também é influenciada pela
presença de outra corrente elétrica. Por exemplo, dois fios que
conduzem corrente elétricas exercem, um sobre o outro, forças
atrativas ou repulsivas resultantes do magnetismo criado em cada
corrente.
Com isso Ampère deduziu, após longos estudos, que
o magnetismo não é um fenômeno separado da eletricidade.
Na verdade, o magnetismo resulta da presença de uma
corrente elétrica.
Ampère foi mais longe: propôs que a ação de um imã
comum ocorre por causa de correntes elétricas permanentes,
existentes dentro desse imã, que exerceriam forças atrativas
ou repulsivas sobre as correntes existentes em um segundo
imã. Correntes elétricas com sentido igual nos dois imãs
faziam surgir uma atração entre eles; quando essas correntes
tinham sentido oposto, havia repulsão entre as extremidades
dos imãs.
Assim, sendo o imã um conjunto de correntes,
bastava calcular as forças entre essas correntes.
UMA REVOLUÇAO: O CONCEITO DE CAMPO
(LEI DE GAUSS)
As dificuldades em calcular a força magnética
somente foram eliminadas graças ao conceito de campo,
proposto pelo inglês Michael Faraday.
Ao propor a idéia de campo, Faraday imaginou a
seguinte situação: quando se salpica limalha de ferro em
torno de um imã (observe a figura), a limalha se deposita
seguindo a orientação de curvas que ligam os dois pólos do
imã. Assim, concluiu ele, a causa desse fenômeno seriam as
“linhas de força” formadas em torno do imã, saindo de seu
pólo norte e convergindo no pólo sul (conforme figura).
Ao salpicar limalha de ferro próximo a um imã, podemos observar as linhas do campo magnético.
A partir dessa explicação, a atração e a repulsão entre pólos
de imãs diferentes se explicavam por uma “disputa” entre a
convergência e a divergência das linhas de força. Em outras palavras,
se as linhas de força eram iguais (com o mesmo sentido), somavamse e provocavam uma atração; se não fossem iguais (de sentidos
contrários), repeliam-se.
Faraday, então, chamou o conjunto de linhas de força de
campo magnético. O modelo das linhas de campo foi utilizado por
Faraday para explicar a força elétrica de Coulomb. Para ele, a atração
e a repulsão entre cargas elétricas ocorriam por causa da ação de um
campo elétrico, composto por linhas de força que saíam de uma
carga elétrica positiva para uma carga negativa.
As linhas do campo elétrico das cargas espalham-se
por todas as direções do espaço de maneira equivalente
(direção radial). No entanto, por convenção, se as cargas
forem positivas (a), o sentido do campo será para fora das
cargas; se forem negativas (b), o sentido será para dentro das
cargas.
O campo difere da força na medida em que somente
haverá força quando ocorrer interação entre duas cargas ou
entre duas correntes, ao contrário do campo elétrico, que
sempre existirá se houver uma carga, ou do campo
magnético, que sempre existirá se houver uma corrente.
Ambos os campos (elétrico e magnético) são os
mecanismos para explicar a ação a uma distancia, uma vez
que não se entendia, na época, como um objeto pode atrair o
outro sem precisar “tocar” nele. Os seres humanos, por
exemplo, na maioria das vezes, utilizam as mãos para
empurrar ou atrair um objeto. Já as cargas as cargas elétricas
podem atrair ou repelir objetos utilizando os campos elétricos e
magnéticos.
A intensidade desses campos elétricos em um ponto foi
calculada por Cal Friedrich Gauss e pode ser obtida por:
𝐸=
𝐾.𝑄
𝑑²
Onde E = campo elétrico; K = constante do meio em que a carga está
localizada; d = distância que separa a carga de um ponto qualquer.
A expressão matemática anterior é um caso especifico da lei
de Gauss- é necessário utilizarmos cálculo diferencial e integral para
generalizá-la, o que não é o nosso objetivo. Interessa- nos, portanto,
a sua principal idéia: a lei de Gauss estabelece uma relação
inseparável entre carga e campo. Ou seja, é impossível haver carga
sem campo elétrico ou, por outro lado, haver campo elétrico sem
carga. Se há um campo, então, há carga. Se há carga, então há
campo.
A lei de Gauss é a primeira lei do eletromagnetismo, uma vez
que a lei de Coulomb é considerada, hoje, uma consequência dessa
lei, pois há uma relação entre força elétrica e campo elétrico dada
pela expressão:
𝐹⃗ = 𝑞. 𝐸⃗⃗
Onde 𝐹⃗ = força elétrica; q = carga submetida a um campo;
𝐸⃗⃗ = campo gerado por uma carga fixa. Há uma lei equivalente à lei de
Gauss para o magnetismo, que pode ser expressa
matematicamente por:
B . d² = 0
Onde B = campo magnético; d = distância.
Se há uma equivalência entre a lei de Gauss do
eletromagnetismo e a lei de Gauss da eletricidade, podemos
comparar as expressões matemáticas de B e E e extrair mais
informações. Você pode perceber que algo tem de ser nulo no
segundo lado da equação de E par que B também seja nulo: K
é uma constante que depende do meio e nunca pode ser nulo
(no vácuo, onde não há matéria, seu valor é 9.109N.m/C²). A
distância d, por sua vez, está dividindo e, como se sabe,
segundo a matemática, não pode haver zero no denominador.
Isso significa que, por exclusão, quem deve ser nula é a
carga. Ou seja, não existe campo magnético ligado a uma
única carga.
Assim, essa lei, por vezes chamada de lei de Gauss do
magnetismo, pode ser interpretada como: não é possível
haver um monopólio magnético (uma única carga). É o caso
dos imãs e do magnetismo de uma forma geral: sempre
haverá dois pólos magnéticos (norte e sul) no magnetismo.
Segundo o modelo que utilizamos hoje, as correntes
elétricas são cargas que se locomovem. Tais cargas, em
locomoção, geram campos magnéticos circulares que, por sua
vez, exercem forças sobre outras cargas elétricas, que podem
estar em movimento ou não. É por isso que é mais comum
falarmos que o elemento fundamental do magnetismo é a cargacampo: todos os outros fenômenos advêm desse elemento.
Uma vez que uma carga em movimento é uma corrente
elétrica, se a outra carga que sente o efeito da força estiver também
em movimento, a interação entre as duas cargas também pode ser
imaginada como uma interação entre duas correntes. Com isso,
explica-se teoricamente a atração entre correntes descoberta por
Ampère.
Mas também era necessário expressar matematicamente essa
interação. Para entender como foi feita a interação, suponha- se que
no ponto P (mostrado na figura) exista um campo magnético B com a
direção e o sentido indicados. Supõe-se ainda que por esse ponto P
passe uma carga q com uma determinada velocidade v.
Conforme já previra Ampère, essa carga ficará sujeita a uma
força magnética (Fm), perpendicular ao campo, dada por:
Fm=q.v.B.senθ
Onde Fm é a força magnética; q= carga; v= velocidade da
carga; θ= ângulo entre B e v.
Observe que a direção da força que um campo magnético
exerce sobre uma carga em movimento é perpendicular ao plano
determinado por v e B e o seu sentido pode ser dado pela “regra da
mão direita”, que consiste no seguinte procedimento: apontar o dedo
polegar da mão direita na direção da velocidade v e os demais dedos
orientados na direção do campo magnético. O sentido da força F será
aquele para onde ficará voltada a palma da mão, veja a figura:
A unidade do campo magnético é o tesla (T). É
sempre conveniente lembrarmos que o valor da força
magnética, assim como o valor do campo, muda de um ponto
para outro.
Outra observação importante é que, se a carga q for
negativa, o sentido da força magnética será contrário àquele
que é observado para carga positiva. Portanto, será o
contrário da direção apontada pela palma da mão direta, ao
usarmos a regra da mão direita.