FGeE-III-Carga elétrica e os processos de eletrização_UMC_2x1

Física Geral e Experimental III Prof. Dr. Dr. Jocel de Souza Rego Engenharia Mecânica A Carga elétrica Os processos de eletrização • •

2012

Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Histórico: A Eletricidade O Magnetismo O Eletromagnetismo A Carga Elétrica: A Estrutura da Matéria A Natureza das Cargas Elétricas Principio da Conservação e da Quantização de Cargas Elétricas Experiência de Millikan Condutores e Isolantes Processos de Eletrização: Por atrito Por Contato Por indução O Pêndulo Eletrostático: Lista de Exercícios © Prof. Dr. Jocel de Souza Rego – 2012

Curso: Engenharia Mecânica UMC - Noturno Professor : Prof. Dr. Jocel de Souza Rego –

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização

Histórico

Eletricidade 600 a.C. os gregos, mais especificamente Tales de Mileto, descobriram que, atritando com a lã, o âmbar adquiria a propriedade de atrair outros objetos. O termo “elétrico” deriva-se da palavra grega “elektron”,que significa âmbar. Magnetismo 2000 a.C. se tem noticia de que os chineses já conheciam o fenômeno magnético. 600 a.C. os gregos, também sabiam que pedras de magnetita (Fe3O4) atraiam amostras de ferro Eletromagnetismo No século XIX, após os trabalhos de Oersted e Faraday, Maxwell(1) escreveu as equações que unificaram a eletricidade ao magnetismo, mostrando que ambas eram manifestações de um mesmo fenômeno, o eletromagnetismo. •

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(1) Maxwell, J.C., A treatise on Electricity and Magnetism, vol1, 1873, em: http://visualiseur.bnf.fr/CadresFenetre?O=NUMM-95175&I=1&M=tdm , acessado em 22/02/2012 © Prof. Dr. Jocel de Souza Rego – 2012

Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica A Estrutura da Matéria • •

A matéria é formada de pequenas partículas: os átomos. 10 10 m Cada átomo é constituído de partículas ainda menores: no núcleo: os prótons e os nêutrons; na eletrosfera: os elétrons. Os elétrons se mantém em orbita estacionária no interior da nuvem eletrônica ( 10 10m) devido força a atração elétrica 10 15 m com núcleo atômico Os prótons e nêutrons se mantém estáveis no interior do núcleo atômico ( 10 15m) devido a força de atração nuclear A maior parte do volume atômico é esparsamente ocupado por elétrons O núcleo contém 99% da massa atômica Observação: 1.) Existem cargas menores como a dos quarks, porém os quarks não "sobrevivem" isoladamente por muito tempo. 2.) Os quarks se combinam com outros quarks formando prótons (uud). e nêutrons udd), ou formam pares de quark-antiquark que são chamados mésons. • •

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© Prof. Dr. Jocel de Souza Rego – 2012


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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica A Estrutura da Matéria

A matéria se apresenta na natureza na forma: Sólida Líquida Gasosa Plasma O que mantém os átomos unidos, formando uma moléculas neutra são as ligações moleculares O número atômico Z caracteriza o átomo, e indica o número de elétrons ou de prótons existentes em um átomo neutro de qualquer elemento químico

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Z ne np

A massa molar M é a massa por unidade de quantidade de matéria, ou seja kg/mol.

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica A Natureza das Cargas Elétricas Às partículas eletrizadas (elétrons e prótons) chamamos "carga elétrica“ Cargas de mesma natureza se repelem Cargas de diferente natureza se atraem • •

Partícula Próton (p) Elétron (e) Nêutron (n) •

Massa (kg) 1,673x10 17 9,109x10 31 1,675x10 17

Carga (C) 1,602x10 19 1,602x10 19 0

plástico

plástico

vidr

borrach

o

a

A estrutura e a natureza elétrica dos átomos são responsáveis pelas propriedades dos materiais elétricos. A banda de condução (vazio entre átomos) caracterizam os diferentes materiais elétricos: quanto menor a banda de condução maior a condutividade, ou menor a resistência •



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Materiais Elétricos Isolantes/dielétricos: São os meios materiais nos quais não há facilidade de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc. Condutores: São meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas, devido a presença de "elétrons livres". Ex: metais em geral, água e o corpo humano, etc. Semi-condutores: São meios materiais que pertencem a uma classe intermediária entre os condutores e os isolantes. Ex: Silício, Germânio, Arseneto de Gálio, etc. Super-condutores: São os meios materiais em que não oferece qualquer resistência ao movimento das cargas elétricas livres. Ex: Mercúrio sólido em temperaturas inferiores à 4,2 K. Observação: A umidade e a temperatura influem muito na qualidade do isolante e do condutor. •

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Comprovação experimental da natureza das cargas elétricas:

Figura: (a,b) depois de atritados com pele, dois bastões de plásticos se repelem (c,d) depois de atritados com seda, dois bastões de vidro também se repelem (e) O bastão de plástico carregado da situação (a,b) atrai o bastão de vidro da situação (c,d) (f) A pele atrai o bastão de plástico e a seda atrai o bastão de vidro carregado © Prof. Dr. Jocel de Souza Rego – 2012


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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Exemplo: A Figura abaixo ilustra cinco situações, onde A, B e D são esferas de plásticos

carregadas e C é uma esfera de cobre eletricamente neutra, De acordo com as situações apresentadas abaixo e descrita acima, os pares de esferas se atraem ou se repelem?

Resposta: A

A

D

D

D

C

B

C

C

A

B

B


Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Exemplo: De acordo com a figura e descrito no item sobre a comprovação da natureza das cargas elétricas, podemos dizer que: (a) o bastão de plástico pesa mais, menos ou igual, após o atrito com a pelica? (b) o bastão de vidro pesa mais, menos ou igual, após o atrito com a seda? (c) A pelica pesa mais, menos ou igual, após o atrito com o bastão de plástico? (d) A seda pesa mais, menos ou igual, após o atrito com o bastão de vidro?

Resposta:

(a) o bastão de plástico pesa mais, (b) o bastão de vidro pesa menos (c) A pelica pesa um pouco menos (d) A seda pesa um pouco menos Justificativa: O bastão de plástico obtém carga negativa ao retirar elétrons da pelica, por isso pesa um pouco mais, enquanto a pelica pesa um pouco menos após o atrito entre estes corpos. Por outro lado, o bastão de vidro obtém carga positiva ao ceder elétrons à seda. Logo, A alteração no peso é muito pequena, pois o número de elétrons transferido em um mol de elétrons possui massa de 6,02x1023 elétrons x 9,11x10-31kg/elétrons=5,48x10+7kg=0,548mg



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Experiência de Millikan:

Comprovação experimental dos valores da carga do elétron


Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Medida da carga elétrica

q = − n.e (se houver excesso de elétrons)

q = + n.e (se houver falta de elétrons) e = 1,6.10-19 C q = quantidade de carga (C) n = número de cargas e = carga elementar (C)

Exemplo: 1 C de carga negativa = 6,25×1018eletrons 1 C de carga positiva = 6,25×1018protons 1 cm3 Cu (cobre, Z=29, M=63,5g/mol) ≈ 1023elétrons livres

Experiências eletrostáticas típicas (fricção de vidro ou borracha) deslocam cerca de 10 6C (1μC) à 10 9C (1nC) só uma pequena fração da carga disponível é que é transferida entre a barra e o material de fricção. −

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Exemplo: Uma moeda de Cobre (Cu, Z=29, M=63,5g/mol) tem massa de 3,10 gramas. Determine: (a) O número de elétrons que contém a moeda (b) A carga total de todos os elétrons da moeda. Resposta: Sabendo que: 1mol 6,02 x 1023átomos 63,5 gramas, então temos que em 3,10 gramas de Cobre contém: 3,10 x 6,02 x 10 23 2,94 x 10 22 átomos 63,5 Como cada átomo de Cobre contém 29 elétrons, então 2,94 x 1022 átomos na moeda correspondem à: 29 x 2,94x10 23 8,53x10 23 elétrons Como cada elétron tem uma carga de 1,6 x 10 19C e a moeda contém 8,53 x 1023 elétrons , então a moeda esta carregada com: 8,53 x 10 23 ( 1,6 x 10 19 ) 1,37x10 5 C -

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização A carga elétrica Unidade de carga elétrica no SI é o Coulomb (C)

Coulomb é a quantidade de carga que passa por uma secção transversal de um condutor em 1 segundo, quando este é atravessado por uma corrente e 1A.

[C] = [A].[T] = A.s Submúltiplos: 1 nanocoulomb = 1nC = 10−9C – 1 microcoulomb = 1 C = 10−6C – 1 milecoulomb = 1mC = 10−3C –

Mais tarde veremos que : A quantidade de carga (dq) transportada por uma corrente (i), no intervalo de tempo (dt) é: dq = i.dt



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Processos de Eletrização Processos no qual há transferência de cargas de um corpo para outro Todo processo de eletrização obedece ao princípio da conservação da carga

A importância atual da eletricidade estática:

Nos aviões, helicóopteros e automóveis submetidos a grandes velocidades, o atrito do ar seco com a fuselagem, produz uma tensão superficiel que pode ultrapassar 250.000 volts, e a carga eletrostática acumulada pode provocar faíscas e, consequentemente, explosões ao se aproximarem do local de aterragem. Há relatos de acidentes com incêndios em postos de abastecimento causados por faísca devidas a descargas eletrostáticas durante o manuseio da bomba de combustível. Em eletrônica, a eletricidade estática é objeto de estudo e pesquisa, pois muitos são os danos causados pela carga dos corpos e sua consequente descarga em equipamentos e componentes sensíveis, como por exemplo, placas-mãe de computadores, módulos de memória, etc


Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Eletrização por atrito Quando dois corpos são atritados, pode ocorrer passagem de elétrons livres de um corpo para outro devido ao atrito entre as superfícies. O atrito aquece a superfície do material, fornecendo energia para romper as ligações moleculares e suficiente para arrancar os elétrons da camada de valência dos átomos que constituem os materiais atritados.

Observação:

1. A carga dos corpos eletrizados desse modo possuem carga de sinais opostos 2. Num isolante, somente a área friccionada fica carregada, não havendo tendência dessa carga migrar para outras zonas do mesmo corpo. 3. Nos metais (condutores), a carga distribuise uniformemente por toda a superfície. Exemplo: Pente atritado



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Série Tribo elétrica: Certos corpos tem mais facilidade de se eletrizarem do que outros....

...vidro mica lã seda papel algodão madeira enxofre

metais...

Observação: Quando atritamos dois objetos de natureza diferente, um fica carregado positivamente e outro negativamente, de acordo com a série tribo elétrica Exemplo: Quando atritamos uma barra de madeira com lã, a barra de madeira fica eletrizada negativamente. Quando atritamos uma barra de vidro com lã, a barra de vidro fica eletrizada positivamente. •

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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Eletrização por contato 

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Quando colocamos dois corpos condutores em contato, pode ocorrer a passagem de elétrons livres de um para o outro, até que o equilíbrio eletrostático seja mantido O intervalo de tempo médio para atingir o equilíbrio eletrostático é de 10 9 s

Exemplo: •

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Quando atritamos uma barra de borracha numa pele, a barra fica eletrizada negativamente. Se fizermos contacto dessa barra com uma esfera metálica isolada da terra, o excesso de elétrons da barra migra para a esfera. Depois de afastarmos a barra de borracha, os elétrons movem-se livremente na esfera, repelindo-se uns aos outros e redistribuindo-se na superfície da esfera. O suporte isolante da esfera impede a passagem dos elétrons para a terra.



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Eletrização por indução A eletrização de um condutor neutro pode ocorrer por simples aproximação de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles. Ligação com a Terra: "Ao se ligar um condutor eletrizado à Terra, ele se descarrega.“

Exemplo

a) Uma barra de borracha (ou âmbar) carregada negativamente por atrito é aproximada de uma esfera condutora neutra que se encontra isolada da terra. As forças repulsivas entre os elétrons da barra e da esfera levam a um redistribuição das cargas na esfera. b) Se a esfera for ligada à terra por um fio condutor, os elétrons deixam a esfera ao migrarem para a terra. c) Se retirarmos o fio condutor, a esfera fica com um excesso de carga induzida positiva. d) Ao afastar-se a barra de borracha, esse excesso de carga positiva distribui-se livremente e uniformemente por toda superfície da esfera. © Prof. Dr. Jocel de Souza Rego – 2012

Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização 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.

Eletrização 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.



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Física Geral e Experimental III A Carga Elétrica e os Processos de Eletrização Processo de Eletrização Pêndulo eletrostático O pêndulo eletrostático é constituído de uma esfera leve e pequena. Aproximando-se um corpo eletrizado da esfera neutra, ocorrerá o fenômeno da indução eletrostática na esfera e ela será atraída pelo corpo eletrizado.

Eletrostático de folha Aproximando-se objeto da esfera (E): Se as folhas (a, b) não se alterarem, o objeto estará descarregado Se as folhas (a, b) se afastarem, o objeto estará carregado •

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Física Geral e Experimental III Lista de exercícios proposta do livro texto: CAPÍTULO 23.- Carga Elétrica Perguntas 6, 5, 8 Problemas: 6, 26, 27, 29, 31, 37, 41, 43, 52, 57 Halliday, Resnick and Walker, Fundamentos de Física, volume 3, 8 a edição, Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, 2009. CAPÍTULO 23.- Carga Elétrica Perguntas 6, 5, 8 Problemas: 6, 26, 27, 29, 31, 37, 41, 43, 52, 57 Halliday, Resnick and Walker, Fundamentos de Física, volume 3, 8 a edição, Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, 2009.



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Física Geral e Experimental III Próximo Assunto: Lei de Coulomb


Física Geral e Experimental III

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