História da Eletricidade - Resumo

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

            Uma das áreas mais conhecida da física é a Eletricidade. Por meio dos estudos desse ramo, sabe-se o bastante para explicar de forma satisfatória diversos fenômenos, entre eles alguns que ocorrem no nosso cotidiano. Como uma lâmpada acende (Figura 1)? Como ocorre um raio durante uma tempestade (Figura 2)? Como funcionam os eletrodomésticos (Figura 3)? Todas essas perguntas são respondidas com a ajuda de conceitos de eletrostática, eletrodinâmica e outras áreas que surgiram a partir delas, como a eletrônica, a mecatrônica e a robótica. Existem ligações, também, com outras ciências, como a Química e a Engenharia.

Figura 1 – Lâmpada Incandescente

Fonte: Luiz Setti (Autoria própria)

Figura 2 - Relâmpagos em cidade do Canadá

Fonte: John R. Southern. (https://pt.wikipedia.org/wiki/Raio_(meteorologia))

Figura 3 - Rádio-amplificador

Fonte: Luiz Setti (Autoria própria)

            Historicamente, o estudo da eletricidade teve origem a partir de observações realizadas, aproximadamente, no século VI a.C., na Grécia Antiga. Registros indicam que um dos pioneiros nessas análises foi Tales de Mileto. Atritando um pedaço de âmbar com uma tira de tecido de pele de animal, ele percebeu que o primeiro começou a atrair objetos leves, como a pena de uma ave.
            Após os estudos de Tales, por mais de mil anos não houve avanços significativos nessa área. Somente no século XVI, o médico inglês William Gilbert verificou que esse fenômeno, que hoje chamamos de eletrização por atrito, não ocorre apenas com o âmbar, mas com diversos materiais após serem atritados com outros. Em grego, o âmbar é chamado de elektron. Logo, tais materiais foram chamados de elétricos, nascendo aí um novo ramo da Física: a eletricidade.
            No século XVIII, o francês Charles Du Fay verificou a existência de dois tipos de eletricidade. Nas suas experiências, ele percebeu que atritando um pedaço de âmbar com um pedaço de lã, este se eletrizava e repelia outro pedaço de âmbar que também havia sido atritado com lã. Em seguida, Du Fay atritou um pedaço de vidro com um pedaço de lã, percebendo que este também repelia um outro pedaço de vidro igualmente atritado com lã. Por fim, com o âmbar e o vidro eletrizados, ele os aproximou notando que ocorria atração. Com base nesses resultados, Du Fay nomeou a eletricidade do vidro de vítrea e a das demais substâncias de eletricidade resinosa.
            Somente no final do século XVIII, o estadunidense Benjamin Franklin, um dos principais nomes associados à Revolução Americana e ao surgimento dos Estados Unidos, propôs as denominações atualmente utilizadas: positivo (vítrea) e negativo (resinosa). Franklin também realizou estudos sobre a eletricidade dos raios, concluindo que sua natureza é a mesma que a da eletricidade criada com o atrito de materiais. Até esse momento, pensava-se na eletricidade como um fluido, o que atualmente não é mais aceito cientificamente. Franklin concluiu que esse fluido era constituído por pequenas partículas. Vale notar que essas definições surgiram antes do entendimento da composição da matéria por átomos, consolidado apenas no século XX.
Também no século XVIII, foi notado que surgiam faíscas num globo de vidro em movimento giratório quando este era esfregado. Tais faíscas eram visíveis e audíveis. Na Figura 5, temos um modelo construído por Benjamin Franklin.

Figura 5 - Máquina eletrostática de Franklin com globo de vidro

Fonte: Adam Cooperstein (https://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_eletrost%C3%A1tica_de_Franklin)

            Essa experiência foi o ponto de partida para que Pieter van Musschenbroek desenvolvesse o primeiro condensador de energia elétrica, conhecido como garrafa de Leiden .

            Ainda no século XVIII, o médico italiano Luigi Galvani se debruçou sobre a ação elétrica em corpos de animais, utilizando na maioria de suas experiências sapos e rãs. A partir disso, Galvani notou que as reações musculares se davam através de sinais elétricos transmitidos através de nervos. Como todo estudo pioneiro, Galvani cometeu alguns equívocos em suas conclusões, afirmando que a energia elétrica dos corpos vivos (denominada por ele de eletricidade animal ou eletricidade galvânica) é de natureza distinta da que ocorre na natureza e da gerada pelas experiências da época.

            Outro italiano, Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, desenvolveu estudos que visavam contrariar a conclusão de Galvani. Com base nos resultados obtidos, especialmente por meio de experimentos com enguias (peixes com capacidade de dar choques elétricos), Volta, Galvani e outros envolvidos debateram o tema publicamente. Volta compreendeu os processos químicos associados à geração da tensão elétrica e construiu, com isso, o seu gerador, chamado de pilha de Volta .
            Na segunda metade do século XVIII, Charles Augustin Coulomb, cientista francês, quantificou a força de atração ou repulsão que existe entre cargas elétricas, utilizando uma balança de torção .

Já no século XIX, outros estudos, com destaque para os feitos pelo cientista francês André-Marie Ampère, evidenciaram a possibilidade de transmissão da energia elétrica por meio de uma corrente elétrica. Tais estudos forneceram o ponto de partida para boa parte das pesquisas posteriores. Em sua homenagem, no SI, a unidade de medida de corrente elétrica é o Ampère (A).
Hans Christian Ørsted, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, entre outros, contribuíram ao longo do século XIX para a união do magnetismo e da eletricidade, o eletromagnetismo.
Entre o final do século XIX e meados do século XX, além da descoberta do elétron, do próton e da proposição de modelos atômicos mais sofisticados, diversos dispositivos eletrônicos foram inventados, com destaque para a válvula termiônica eletrônica (Figura 9), que utiliza o vácuo aquecido de seu bulbo para o transporte de elétrons e foi utilizado na fabricação dos primeiros rádios e amplificadores, e o transistor (Figura 10), componente feito de materiais semicondutores que permite a amplificação e o controle de sinais elétricos. A partir daí, temos a invenção de microchips (Figura 11), que possibilitaram o desenvolvimento de artefatos tecnológicos digitais como computadores, telefones celulares etc., influenciando as comunicações, a área industrial e o cotidiano das pessoas.

Figura 9 - Válvula termiônica eletrônica

Fonte: Gregory Maxwell (https://pt.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%ADodo)

Figura 10 - Transistores modernos em um circuito eletrônico

Fonte: Brasil Escola (https://brasilescola.uol.com.br/fisica/transistor.htm)

Figura 11 - Modelo recente de microchip semicondutor

Fonte: Getty Images. (https://www.uol.com.br/tilt/noticias/afp/2021/02/20/coquetel-explosivo-faz-chips-sumirem-do-mercado-e-precos-de-iphone-disparam.htm)

            Em relatos resumidos da história da eletricidade, como é o caso deste, acabamos não mencionando estudiosos que também contribuíram, direta ou indiretamente. A título de exemplo, poderíamos mencionar aqui Carl Friedich Gauss, Hendrik Lorentz, Heinrich Lenz, Alexander Graham Bell, Gustav Kirchhoff, Guglielmo Marconi, Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, George Westhinghouse, Philo Farnworth, Niels Bohr, Leon Thevenin, Edward Norton, Arnold Sommerfeld, Alan Turing, John von Neumann, entre muitos outros. Nesse sentido, há que se notar que o desenvolvimento do conhecimento científico possui caráter coletivo, sendo o destaque de alguns indivíduos apenas um recorte histórico simplificado.

 

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Eletrostática

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

        Eletrostática é a parte da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento das cargas elétricas em repouso. Na eletricidade, temos também a eletrodinâmica, que estuda o movimento das cargas elétricas e seus efeitos.
Sabemos atualmente que a matéria é constituída por átomos. De fato, com o passar dos anos, diversos modelos atômicos foram propostos com o intuito de descrever qual é a configuração de um átomo, quais são seus componentes, onde eles se localizam, como eles interagem etc. Para mais detalhes sobre os modelos atômicos acesse este material que produzimos.
Em síntese, podemos considerar que um átomo tem duas partes (Figura 12):

• O núcleo, que é central, e formado por duas partículas: os prótons e os nêutrons (com exceção do núcleo de Hidrogênio que se resume a um próton);
• A eletrosfera, que é periférica, e formada pelos elétrons – do ponto de vista do modelo de Bohr podemos pensá-los como estando distribuídos em níveis energéticos.
  

FIGURA 12 - Modelo atômico de Bohr (fora de escala) representando as partículas e suas localizações

FONTE: Luiz Setti (Autoria própria – Desenho feito em AutoCAD ®)

        Conferiu-se ao próton, ao elétron e a outras muitas partículas uma propriedade física: a de possuírem carga elétrica. A esta, por sua vez, podemos associar as seguintes propriedades:

        1. A carga elétrica pode ser polarizada e existir de forma independente do polo oposto. Ou seja, existem dois tipos de cargas elétricas: a positiva e a negativa .

        2. Quando são alocadas na presença umas das outras, as cargas sofrem uma força de interação, que pode ser repulsiva ou atrativa. Cargas de sinais iguais se repelem (positiva com positiva ou negativa com negativa). Cargas de sinais opostos se atraem (negativa com positiva). A Figura 13 ilustra essas interações:

FIGURA 13 - Interações entre cargas elétricas

FONTE: Luiz Setti (Autoria própria – Desenho feito em AutoCAD ®)

        3. A carga elétrica é quantizada, isto é, seu valor varia aos saltos, não é contínuo. O quantum de carga elétrica, isto é, seu valor unitário mínimo, equivale à carga elétrica de um próton ou de um elétron. Trata-se da chamada carga elétrica elementar, cujo valor é 1,6.10^-19 C. De forma geral, os átomos e os corpos se mantêm eletricamente neutros, isto é, possuem a mesma quantidade de cargas negativas (elétrons) e de cargas positivas (prótons) – o que equivale a uma carga elétrica resultante nula. Entretanto, um corpo pode ganhar ou perder elétrons, sendo possível calcular sua carga elétrica resultante, isto é, a quantidade de elétrons que esse corpo tem a mais ou menos em comparação com a quantidade de prótons (a quantidade de elétrons que o corpo tem de sobra ou em falta). Para isso, utiliza-se a seguinte equação:

Onde:

        Q é a carga elétrica resultante do corpo, medida em C e é o valor da carga elétrica elementar (1,6.10^-19 C) - no caso de elétrons, considera-se esse valor como negativo; no caso de prótons, considera-se esse valor positivo; n é a quantidade de cargas excedentes ou faltantes, número adimensional e natural

 

        4. Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas elétricas é constante, ou seja, a quantidade de carga elétrica inicial resultante de todos os corpos envolvidos é igual a quantidade de carga elétrica final resultante de todos os corpos envolvidos. Trata-se do princípio da conservação das cargas elétricas .



EXEMPLO RESOLVIDO 1

Se um corpo A, eletrizado positivamente, repele outro corpo eletrizado B e este, por sua vez atrai um corpo C, também eletrizado, responda:

1. Quais os sinais das cargas elétricas resultantes de B e de C?
2. O que acontecerá se colocarmos A e C em presença um do outro?

Resolução:

EXEMPLO RESOLVIDO 2

Um material apresenta carga elétrica negativa de – 3,2.10^-15 C. Esse material está com excesso ou falta de elétrons? Calcule essa diferença.

Resolução:


EXEMPLO RESOLVIDO 3

De um corpo inicialmente neutro foram retirados 104 elétrons de sua constituição. Esse corpo ficou com carga elétrica positiva ou negativa? Qual é o valor dessa carga elétrica resultante?

Resolução:


EXEMPLO RESOLVIDO 4

Determine o número de elétrons recebidos por um corpo carregado com a carga Q = – 64 mC.

Resolução:

EXEMPLO RESOLVIDO 5

Qual é a quantidade de elétrons em falta num corpo com carga elétrica resultante de 1 C?

Resolução:

 

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MATERIAIS CONDUTORES E DIELÉTRICOS (ISOLANTES)

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

            Eletricamente falando, os materiais podem ser divididos em duas categorias principais: os condutores e os dielétricos (costumeiramente chamados de isolantes).
            Os materiais condutores são aqueles que têm facilidade em ceder elétrons para a constituição de uma corrente elétrica (conceito que será visto adiante). Já os materiais dielétricos não cedem elétrons facilmente, dificultando a constituição de uma corrente elétrica.
            Os metais são exemplos de condutores (Figura 14): cobre, alumínio, prata, ouro etc. Já como dielétricos (Figura 15) podemos citar: borracha, madeira, cerâmica, porcelana, mica, feldspato, tântalo e plástico.

FIGURA 14 - Fios elétricos de cobre

FONTE: Brasil Escola (https://brasilescola.uol.com.br/fisica/condutores-isolantes.htm)

FIGURA 15 - Materiais dielétricos utilizados em elétrica industrial

FONTE: Mecânica Industrial (https://www.mecanicaindustrial.com.br/materiais-isolantes-utilizados-em-engenharia-eletrica/)

Fonte: Física Universitária, 2016. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=1qTo6nvpAoQ. Acesso em: 01 jun. 2021.

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PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

            Os átomos são naturalmente neutros, isto é, estão em equilíbrio eletrostático. Contudo, podem ganhar ou perder elétrons em sua constituição, formando corpos eletricamente carregados. Existem artifícios que forçam essas situações de desequilíbrio eletrostático: os processos de eletrização. Os métodos são três: por atrito, por contato e por indução. É importante notar que esses processos devem ocorrer em ambientes eletricamente isolados.

ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

            Quando esfregamos entre si dois materiais diferentes, eles se eletrizam com cargas elétricas de sinais opostos (Figura 16). Isso ocorre tanto em materiais dielétricos como em condutores.

FIGURA 16 - Eletrização por atrito

FONTE: Newton C. Braga (https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque-tecnologico/194-e/7504-eletrizacao-alm313.html)

            A polarização dos materiais envolvidos nesse tipo de processo se dá conforme uma tabela construída empiricamente: a série triboelétrica. O material que estiver acima, numa relação entre dois, ficará com a carga positiva. O que estiver abaixo na tabela terá carga negativa. A seguir, temos um exemplo de série triboelétrica.

Quadro 1 - Série triboelétrica

FONTE: Luiz Setti (Autoria própria)

Fonte: Física Universitária, 2016. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=_3l7DcJgNd0. Acesso em: 01 jun. 2021.

ELETRIZAÇÃO POR CONTATO

            A eletrização por contato ocorre quando um corpo previamente eletrizado encosta em outro corpo (eletrizado ou não). Com isso, ocorrerá a passagem de cargas elétricas até que ocorra o equilíbrio eletrostático entre esses dois corpos. Se ambos os corpos tiverem a mesma quantidade de carga elétrica resultante, a mesma área superficial e o mesmo formato, não ocorrerá mudanças, pois eles já estão em equilíbrio entre si.

            Nesse tipo de eletrização, após o contato, ambos os corpos terão cargas de sinais iguais. Ele ocorre facilmente em materiais condutores, havendo dificuldades para que ocorra nos isolantes.
Na Figura 17 temos um exemplo de eletrização por contato. O corpo esférico A, eletricamente isolado por uma base, está inicialmente eletricamente neutro. O corpo esférico B, apoiado numa haste de material dielétrico, com carga resultante negativa, é então encostado em A. Com isso, elétrons de B passarão para A até que ambos os corpos estejam com cargas resultantes negativas. Caso os dois corpos esféricos tenham o mesmo raio, terão também a mesma área superficial. Logo, as cargas elétricas resultantes se distribuirão em igual quantidade pelos dois corpos.

FIGURA 17 - Eletrização por contato

Fonte: André Luís Silva da Silva (https://www.infoescola.com/eletrostatica/eletrizacao/)

            É preciso insistir que a esfera A está apoiada numa base de material dielétrico. Isso para que não haja passagem de cargas elétricas para a Terra, que é considerada como um gigantesco reservatório de cargas elétricas, capaz de neutralizar cargas elétricas resultantes de outros corpos que entrem em contato com ela. Assim, se um condutor eletrizado fosse colocado em contato com ela, haveria uma redistribuição de cargas entre o corpo e a Terra. Como as dimensões do corpo, em comparação com a Terra, são desprezíveis, ou os elétrons em excesso no corpo vão para a Terra ou os elétrons em falta no corpo são supridos pela Terra. Em ambos os casos, o corpo passará a ter carga elétrica resultante nula.

A eletrização por contato ocorre por conta da quarta propriedade das cargas elétricas, o princípio de conservação das cargas .

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

            Pode-se eletrizar um corpo neutro aproximando um outro corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles. Na Figura 18, o corpo A está positivamente carregado e o B, eletricamente neutro (considere o número de sinais dentro do corpo: seis negativos e seis positivos). Com a aproximação do corpo A, as cargas negativas de B se aproximarão da posição em que A está em relação a B. Com isso, as cargas positivas, por conta da interação de repulsão de cargas de sinais iguais, irão para a posição oposta no corpo B. Ligando B à Terra (aterramento), cargas negativas do planeta serão atraídas pelas cargas positivas que estão separadas das cargas negativas do corpo. Se, nesse momento, o aterramento for interrompido e, logo após, o corpo A for afastado, o corpo B ficará com carga resultante final negativa. Na eletrização por indução, os corpos envolvidos terão, ao final, cargas de sinais opostos.

FIGURA 18 - Exemplo de eletrização por indução

FONTE: Essa e Outras (https://essaseoutras.com.br/eletrizacao-por-inducao-explicacao-exemplos-desenhos-e-exercicios/)

Fonte: Física Universitária, 2016. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=Li9ECwSyDFU . Acesso em: 01 jun. 2021.

            Por conta dessa movimentação das cargas elétricas num corpo durante a indução, um corpo carregado pode atrair outro corpo que esteja eletricamente neutro.

EXEMPLO RESOLVIDO 6

Observe a série triboelétrica (Quadro 1) e responda:

1. Atritando-se um pedaço de vidro com um pedaço de papel, o que ocorrerá?
2. Ao atritarmos uma haste de madeira com cabelo humano, qual será o sinal da carga resultante em cada um deles?

Resolução:

 

EXEMPLO RESOLVIDO 7

Duas esferas metálicas idênticas A e B, com cargas de 6 nC e -2 nC, respectivamente, fazem contato entre si. Qual será a carga em ambas as esferas após isso?

Resolução:

 

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FORÇA ELÉTRICA

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

          Já conhecemos o princípio segundo o qual corpos carregados com cargas de mesmo sinal se repelem e corpos carregados com cargas de sinal contrário se atraem. Esse princípio leva em conta a interação qualitativa das cargas elétricas. Mas é possível estudar essa interação sob a perspectiva quantitativa. Ou seja, é possível medir/calcular a intensidade dessa força de interação.
          Segundo a Lei de Coulomb, a força de influência mútua entre dois corpos puntiformes, carregados eletricamente, é diretamente proporcional ao produto do módulo das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa.
          Podemos resumir essa lei na seguinte fórmula:

Em que:
          F é a intensidade força de interação elétrica (repulsão ou atração) entre os corpos carregados eletricamente, cuja unidade no Sistema Internacional (SI) é o Newton (N);
         k é uma constante (ou coeficiente) de proporcionalidade elétrica, cujo valor depende do meio em que os corpos estão alocados. Pode ser chamada de constante de Coulomb. Sua unidade, no SI, é Newton metro quadrado por Coulomb quadrado (Nm²/C²);
          q1 e q2 são os valores das cargas elétricas cos corpos envolvidos no fenômeno. Esses valores estão em módulo (indicados pelas barras verticais na fórmula) e a unidade de medida no SI é o Coulomb (C);
          d é a distância que separa esses corpos, cuja unidade no SI é o metro (m).
          A Figura 1 representa imageticamente a Lei de Coulomb.

FIGURA 19 - Força elétrica entre corpos carregados eletricamente.

FONTE: Blog do Enem (https://blogdoenem.com.br/eletricidade-e-a-lei-de-coulomb/)

           

            No vácuo, a constante de proporcionalidade k é chamada de k0. Seu valor, no SI, é:

            A Tabela 1 indica alguns valores de k para diferentes meios:

Tabela 1 - Valores da constante de proporcionalidade k em alguns meios.

Meio	Constante de proporcionalidade k (Nm²/C²)
Vácuo	9.109
Ar seco	9.109
Água	1,1.108
Etanol	3,6.108

 

FONTE: o autor, baseado em dados colhidos de Bonjorno et al. (1988).

            ATENÇÃO: Se, por exemplo, triplicarmos a distância entre dois corpos eletricamente carregados, a força de interação elétrica entre eles diminuirá em NOVE VEZES. Da mesma forma, se encurtarmos a distância pela metade, a força elétrica entre eles irá QUADRUPLICAR. Isso decorre do fato de a relação entre a força elétrica e a distância entre as cargas ser QUADRÁTICA e INVERSAMENTE PROPORCIONAL

.

EXEMPLO RESOLVIDO 1

          Determine a força elétrica entre dois corpos puntiformes com cargas elétricas q1 = 2 μC e q2 = 1 μC, localizados no vácuo e separados por uma distância de 1 metro.

Resposta

 

EXEMPLO RESOLVIDO 2

          A intensidade da força elétrica entre dois corpos puntiformes com cargas elétricas iguais, situados no vácuo a uma distância de 2 m um do outro, é de 202,5 N. Qual o módulo de suas cargas elétricas?

Resposta

 

EXEMPLO RESOLVIDO 3

          Determine a intensidade da resultante das forças elétricas produzidas pelos corpos puntiformes com cargas q1 (2 μC) e q3 (0,5 μC) sobre o corpo puntiforme com carga q2 (- 4 μC), quando todos estão no vácuo, conforme indicado na Figura 20.

FIGURA 20 - Distribuição de cargas pelo espaço, para o exercício 3

FONTE: Luiz Setti (Autoria própria)

Resposta

 

EXEMPLO RESOLVIDO 4

          Os corpos puntiformes ilustrados na Figura 22 possuem cargas elétricas resultantes q1 = 2 μC; q2 = 4 μC; q3 = 5 μC e estão situados no vácuo. Determine a intensidade da força resultante que age sobre o corpo com carga q2.

FIGURA 22 - Diagrama de cargas
f
FONTE: Luiz Setti (Autoria própria)

Resposta

 

EXEMPLO RESOLVIDO 5

          A distância entre o próton e o elétron num átomo de hidrogênio é de aproximadamente 5,3.10^-11 m. Determine a intensidade das forças gravitacional e elétrica entre o próton e o elétron. Qual a força maior? Qual a relação entre elas? Considere os seguintes dados:

FIGURA 24 - Imagem estrutural do átomo de hidrogênio

FONTE: Instituto FOM de Física Atômica e Molecular (https://www.megacurioso.com.br/fisica-e-quimica/36722-primeira-imagem-da-estrutura-orbital-do-hidrogenio-e-obtida-em-laboratorio.htm)

Resposta

 

 

 

 

 

 

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CAMPO ELÉTRICO

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

          Um corpo com carga elétrica Q gera ao seu redor uma região de influência. Ou seja: outro corpo (chamado de corpo de prova ou carga de prova) colocado nessa região irá sentir a ação de uma força elétrica de atração ou repulsão (Figura 25). Logo, grosso modo, podemos entender o campo elétrico como uma propriedade elétrica associada ao espaço ao redor de um corpo eletricamente carregado. Trata-se de uma grandeza física vetorial (tem módulo, direção e sentido). O campo elétrico é representado por  e sua unidade de medida no Sistema Internacional é Newton por Coulomb (N/C) ou Volt por metro (V/m).

FIGURA 25 - Representação do campo elétrico em volta de uma partícula carregada Q

FONTE: Bonjorno et al. (1988)

          Para representar a direção e o sentido do campo elétrico, usam-se setas orientadas, chamadas de linhas de força, cujo sentido depende exclusivamente do sinal das cargas elétricas que as geram, não dependendo da carga de prova. O campo elétrico criado por uma carga positiva terá suas linhas de força com sentido de afastamento; já o campo elétrico criado por uma carga negativa, terá o sentido de aproximação. A Figura 26 mostra os dois casos.

FIGURA 26 - Direção e sentido do campo elétrico

FONTE: Luiz Setti (Autoria própria)

          Como dito anteriormente, um corpo eletrizado gera um campo elétrico à sua volta. A detecção desse campo pode ser feita utilizando uma carga elétrica puntiforme de prova, colocando-a nas proximidades desse corpo, pois, conforme a Lei de Coulomb, uma força de interação entre os corpos irá surgir. O campo elétrico é resultado da divisão entre a força elétrica e o valor da carga de prova, cuja relação é dada pela seguinte equação:

Onde:
 é a intensidade do campo elétrico (N/C ou V/m);
 é a intensidade da força elétrica (N);
q é a quantidade de carga elétrica do corpo (C).
Na figura 27 temos a imagem de uma carga Q e de uma carga de prova q num ponto P1.

FIGURA 27 - Relação entre campo elétrico e força elétrica

FONTE: Calçada e Sampaio (1985)

          O módulo do campo elétrico é calculado por meio da seguinte fórmula:

Em que:
 é a constante eletrostática do meio, cujo valor no vácuo é k₀ = 9.10⁹ Nm²/C²;
Q é o valor da carga elétrica (C);
d² é o quadrado da distância da carga elétrica para a carga de prova (m²).

          O gráfico do campo elétrico em função da distância, mostrado na Figura 28, demonstra que sua intensidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância d entre a carga que o gera e o ponto do espaço considerado (onde seria colocada a carga de prova). Por isso, quando dobramos o valor da distância, o campo elétrico irá se reduzir à quarta parte. Se reduzimos a distância pela metade, o campo elétrico se intensificará em quatro vezes.

FIGURA 28 - Gráfico do campo elétrico em função da distância

FONTE: Nicolau e Ramalho (2009)

            Quando duas partículas eletricamente carregadas são colocadas próximas, as linhas de força do campo elétrico resultante na região podem adquirir diferentes configurações. Veja aqui alguns exemplos.

 

Quando o vetor  é constante em certa região do espaço (mesma intensidade, mesma direção e mesmo sentido em todos os pontos dessa região), dizemos que temos um campo elétrico uniforme. Nesse caso, as linhas de força exibem uma configuração peculiar.

 

EXERCÍCIO RESOLVIDO 1

          a) Determine as características do vetor campo elétrico criado por um corpo pontual fixo, com carga elétrica de 2 µC, num ponto P, localizado no vácuo, a 10 cm do corpo. b) Se colocarmos uma carga q de valor de 2 µC no ponto P, qual será o valor da força elétrica que aturará sobre ela?

Resolução:

 

EXERCÍCIO RESOLVIDO 2

          Uma carga pontual Q, positiva, gera no espaço um campo elétrico. Num ponto P, a 0,5 metro dela, o campo tem intensidade de 81.10⁶ N/C. Sendo o meio o vácuo, calcule o valor da carga Q.

Resolução:

 

EXERCÍCIO RESOLVIDO 3

          O gráfico representa a intensidade do campo elétrico originado por uma carga puntiforme fixa no vácuo, em função da distância até ela. Determine o valor da carga que origina o campo.

FIGURA 36 - Gráfico do campo elétrico gerado em função da distância até a carga

Fonte: Autoria própria

Resolução:

 

EXERCÍCIO RESOLVIDO 4

          Um corpo de massa 0,005 gramas, carregado com carga elétrica de 20 µC, é inserido entre duas placas metálicas eletrizadas com cargas de sinais contrários, no vácuo. O campo elétrico produzido pelas placas tem intensidade de 4.10⁹ N/C. Admitindo que a carga fique sujeita somente à ação de uma força elétrica, qual o seu valor? Qual a aceleração da partícula? E qual a velocidade, em m/s, da partícula após percorrer 2 milímetros?

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CORRENTE ELÉTRICA

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

 

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QUESTÕES PARA ESTUDO – ELETROSTÁTICA E TÓPICOS ASSOCIADOS

Como citar este documento: SILVA, André Coelho da; LIMA, Jonas da Silva Gomes de; ALMEIDA FILHO, Luiz Antonio de. A Natureza Elétrica em Fenômenos Naturais - Eletrostática. Cursinho Popular IFSP Itapetininga, Itapetininga, fev. 2021. Disponível em: https://cursinhopopular.itp.ifsp.edu.br/site/cursinho/home/materias/eletrostatica.html. Acesso em: [data de acesso].

1) (FESP) Atrita-se um bastão de vidro com um pedaço de lã, ambos inicialmente neutros. Pode-se afirmar que:

1. Somente a lã ficará eletrizada.
2. Somente o bastão ficará eletrizado.
3. Nenhum dos dois ficará eletrizado.
4. O bastão e a lã se eletrizarão com cargas de mesmo sinal
5. O bastão e a lã se eletrizarão com cargas de sinais opostos.

 

 

2) (CESCEM) Uma observação comum na nossa vida diária diz respeito à atração de pequenos pedaços de papel por um pente de plástico que foi passado no cabelo. Considere as seguintes proposições:

1. Os cabelos estão carregados eletricamente.
2. O pente, ao ser atritado com o cabelo, é carregado eletricamente.
3. Os pedaços de papel são corpos carregados eletricamente.
4. Os pedaços de papel são atraídos por indução.

A melhor explicação do fenômeno se deve à combinação das proposições:

1. I, II e III
2. I e IV
3. I e III
4. II e IV
5. Apenas II

 

 

3) (CESCEM) Dispõe-se de três esferas metálicas iguais e isoladas uma da outra. Duas delas, A e B, estão eletricamente neutras e a terceira, C, possui carga elétrica Q. Coloca-se C em contato, inicialmente com A. Depois, coloca-se C em contato com B. Qual será a carga final de C?

1. Q
2. Q/2
3. Q/3
4. Q/4
5. Q/9

 

 

4) (FESP) Sabe-se que em 2 segundos a carga de 32 C atravessa a secção transversal de um fio. Com isso, a intensidade de corrente vale:

1. 16 A
2. 8 A
3. 1 A
4. 1/8 A
5. 1/16 A

 

 

5) (Mackenzie-SP) Dois corpúsculos eletrizados com cargas elétricas idênticas estão situados no vácuo (k₀ = 9.10⁹ Nm²/C²) e distantes 1,0 cm um outro. A intensidade da força de interação eletrostática entre eles é de 3,6.10² N. A carga elétrica de cada um desses corpúsculos pode ser:

1. 9 µC
2. 8 µC
3. 6 µC
4. 4 µC
5. 2 µC

 

 

6) (UFES) Duas cargas elétricas puntiformes estão separadas por 12 cm. Esta distância é alterada até que a força entre as cargas fique quatro vezes maior. A nova separação entre as cargas é:

1. 3 cm
2. 4 cm
3. 6 cm
4. 24 cm
5. 48 cm

 

 

7) (PUCCamp – SP) Duas pequenas esferas A e B, de mesmo diâmetro e inicialmente neutras, são atritadas entre si. Devido ao atrito, 5,0.1012 elétrons passam da esfera A para a B. Separando-as, em seguida, a uma distância de 8,0 cm, a força de interação elétrica entre elas tem intensidade, em newtons, de:

1. 9,0.10-5
2. 9,0.10-3
3. 9,0.10-1
4. 9,0.102
5. 9,0.104

Dados:
            Carga elementar: 1,6.10-19 C
            Constante eletrostática: 9,0.10⁹ Nm²/C²

 

 

 

8) (ITA – SP) Uma carga puntiforme –Q1 de massa m percorre uma órbita circular de raio R em torno de outra carga puntiforme +Q2 fixa no centro do círculo. A velocidade angular ω de –Q1 é:
(Considere  a constante eletrostática do meio entre cargas.)

1. 
2. 
3. 
4. 
5. 

 

 

9) (AFA – SP) Duas cargas elétricas puntiforme q e q' estão colocadas a uma distância d, e a força de interação eletrostática entre eles tem intensidade F. Substituindo a carga q' por outra igual a 5q' e aumentando a distância entre elas para 3d, a nova força de interação eletrostática entre elas terá intensidade:

1. 0,55F
2. 1,66F
3. 2,55F
4. 5,0F
5. 7,5F

 

 

 

BIBLIOGRAFIA
BONJORNO, R. A.; BONJORNO, J. R.; BONJORNO, V.; RAMOS, C. M. Física: livro único. São Paulo: FTD, 1988
BONJORNO, R. A.; BONJORNO, J. R.; BONJORNO, V.; RAMOS, C. M. Física 3: eletricidade. São Paulo: FTD 1992.
BYNUM, W. Uma breve história da ciência. Porto Alegre: L&PM, 2014.
CALÇADA, C. S.; SAMPAIO, J. L. Física clássica: eletricidade. São Paulo: Atual, 1985.
CALÇADA, C. S.; SAMPAIO, J. L. Física clássica: eletricidade. 2. ed. São Paulo: Atual, 1998.
GONÇALVES FILHO, A.; TOSCANO, C. Física 3: interação e tecnologia. 2. ed. São Paulo: Leya, 2016.
MARQUES, B. História da Eletricidade. Revista Be-a-bá da Eletrônica, São Paulo, v. 1, abr. 1982.
RAMALHO JÚNIOR, F.; FERRARO, N. G.; SOARES, P. A. T. Os Fundamentos da física. 9. ed. São Paulo: Moderna, 2006. (v. 3).
RAMALHO JÚNIOR, F.; FERRARO, N. G.; SOARES, P. A. T. Os Fundamentos da física. 10. ed. São Paulo: Moderna, 2009. (v. 3).
RUTHERFORD, F. J.; HOLTON, G; WATSON, F. G. Projecto Física: luz e eletromagnetismo. Estados Unidos: Harvard Physics Project, 1981. (unidade 4)
SAMPAIO, J. L.; CALÇADA, C. S. Física: volume único. São Paulo: Atual, 2005.

 

 

 

 

 

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