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TÉCNICO EM MECÂNICA

AULA 1 - Eletrostática

Disciplinas de Eletricidade e Eletrotécnica Industrial

Professor Tarcísio Pollnow Kruger

[email protected] – [email protected]

Itajaí – SC

2017

mailto:[email protected]

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Sumário


A natureza da eletricidade

Estrutura do átomo

A matéria é algo que possui massa e ocupa lugar no espaço. A

matéria é constituída por partículas muito pequenas chamadas de átomos.



Estrutura do átomo

Toda matéria pode ser classificada em qualquer desses dois grupos:

elementos ou compostos. Num elemento, todos átomos são iguais. São exemplos de elementos o alumínio, o cobre, o carbono, o germânio e o silício.



Estrutura do átomo

Um composto é formado por uma combinação de elementos. A

água, por exemplo, é um composto constituído pelos elementos hidrogênio e oxigênio. A menor partícula de qualquer composto que ainda contenha características originais daquele composto é chamada de molécula.



Estrutura do átomo

Os átomos são constituídos por partículas subatômicas: elétrons,

prótons e nêutrons, combinados de várias formas.

O elétron é a carga negativa (-) fundamental da eletricidade. Os elétrons giram em torno do núcleo, ou centro do átomo, em trajetórias de “camadas” concêntricas, ou órbitas.



Estrutura do átomo

O próton é a carga positiva (+) fundamental da eletricidade. Os

prótons são encontrados no núcleo.



Estrutura do átomo

O nêutron, que é a carga neutra fundamental da eletricidade,

também é encontrado no núcleo.



Estrutura do átomo

Os átomos de elementos diferentes diferem entre si pelo número de

elétrons e de prótons que contêm. No seu estado natural, um átomo de qualquer elemento contém um número igual de elétrons e prótons.

Como a carga negativa (-) de cada elétron tem o mesmo valor absoluto que a carga positiva (+) de cada próton, as duas cargas opostas se cancelam. Um átomo nestas condições é eletricamente neutro, ou está em equilíbrio.



Tipos de ligações químicas

- Ligação iônica (transferência definitiva de elétrons;

- Ligação covalente (compartilhamento de elétrons);

- Ligação covalente dativa (compartilhamento e doação de elétrons);

- Ligação metálica (ligação entre metais).



Ligação metálica

Ligação metálica é a ligação entre metais e metais.

Na ligação entre átomos de um elemento metálico ocorre liberação parcial dos elétrons mais externos, com a consequente formação de cátions, que formam as células unitárias.



Ligação metálica – Condutores elétricos

Esses cátions têm suas cargas estabilizadas pelos elétrons que foram

liberados e que ficam envolvendo a estrutura como uma nuvem eletrônica. São dotados de um certo movimento e, por isso, chamados de elétrons livres. Essa movimentação dos elétrons livres explica por que os metais são bons condutores elétricos.



Ligação metálica – Condutores elétricos

O cobre, por exemplo, apresenta certa de 1022 elétrons livres em 1

um grama. Portanto ele é classificado como um material condutor.



Isolantes elétricos

Dielétrico ou isolante elétrico é um material que não permite a livre

circulação de cargas elétricas. Nesses materiais, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo atômico, ou seja, eles não possuem elétrons livres ou a quantidade é tão pequena que pode ser desprezada.




Nos isolantes as ligações elétricas são de tal forma que os íons

positivos e os elétrons de valência ocupem posições fixas, não permitindo a existência de uma mar de "elétrons livres". Exemplo de isolantes: borracha natural (látex), borracha sintética, plástico, cerâmica, vidro, o ar, a água pura, óleo, etc.




Apesar de não possuir elétrons livres como os metais, uma material

isolante pode ser eletrizado por atrito (ou contato).




Vamos imaginar que 1 elétron foi transferido de um material para

outro. O local de onde o elétron foi transferido fica com "falta de 1 elétron" (com 1 carga positiva); o local no outro corpo - que o elétron passou a ocupar - fica com "excesso de 1 elétron"( com 1 carga negativa).




Porém, esse elétron em excesso, não se torna um elétron livre (por

se tratar de material isolante elétrico) e não pode se locomover livremente.

Na eletrização de material isolante, as cargas em excesso - sejam positivas ou negativas - ficam fixas, sem liberdade de movimento.


Processos de eletrização

Atrito

Na imagem abaixo temos o atrito entre dois corpos de materiais

diferentes, onde se retiram alguns elétrons das órbitas dos átomos de um dos corpos, enquanto que o outro trata de aprisionar estes elétrons. O material que recebe elétrons adquire carga negativa e o que perde fica com carga positiva.



Atrito

Você já levou choque ao abrir a porta de um carro ou ao descer do

veículo?

Esse choque é proveniente do processo de eletrização por atrito, pois, ao se movimentarem, os automóveis e outros veículos eletrizam-se em virtude do atrito com o ar.

Ao fazer contato entre a parte metálica do automóvel e o solo, através do corpo humano, permite-se o escoamento de cargas.



Atrito

Outros exemplos:

- Ouvir estalos ou até mesmo observarmos pequenas faíscas ao retirarmos uma blusa de lã no escuro;

- Uma folha de papel pode “grudar” na capa plástica de uma apostila, por causa do atrito;

- Ao apagar o quadro-negro, partículas de giz podem se eletrizar, deslizando quadro abaixo.



Atrito

Série triboelétrica:

A série triboelétrica foi criada pra classificar os materiais que se eletrizam por atrito, quanto à facilidade de trocarem cargas elétricas. Série triboelétrica é portanto o termo utilizado para designar uma listagem de materiais em ordem crescente quanto à possibilidade de perder elétrons. Ou seja, quanto maior a facilidade em adquirir cargas positivas, mais alta é a posição que ocupa na tabela.



Atrito

Série triboelétrica:


Carga elétrica

Forças envolvidas

As experiências desenvolvidas para eletrização com atrito, conclui-

se também que os materiais atritados, além de adquirirem eletricidade (acumulo de cargas elétricas), adquirem forças elétricas.

Estas forças elétricas são de repulsão, quando os materiais aproximados possuem o mesmo tipo de carga elétrica, e as forças são de atração, quando as cargas elétricas são diferentes.


Carga elétrica

Forças envolvidas

Através das observações é possível fixar a seguinte regra.

- Cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se e de sinais opostos se atraem.



Contato

Tendo-se um corpo previamente carregado, pode-se carregar outro,

simplesmente tocando-o. Este processo chama-se eletrização por contato. É mais eficaz nos condutores.



Contato

Antes do toque, o corpo carregado age sobre as cargas elétricas do

corpo neutro. Os elétrons desse corpo, que são móveis, são então atraídos ou repelidos pelo corpo carregado. Os prótons são imóveis.



Contato

Quando ocorre o toque, os elétrons fluem deixando o corpo A com

menos carga positiva. O corpo B, antes neutro, possui agora carga positiva.



Contato

Matematicamente pode-se expressar pelas seguintes expressões:



Contato

Contato com a terra: Em termos de manifestações elétricas, a Terra

é considerada como um enorme elemento neutro. Dessa forma, quando um condutor eletrizado é colocado em contato com ela, há uma redistribuição de cargas elétricas proporcionais às dimensões, à forma, ao tipo de substância do corpo eletrizado e da Terra, ficando, na realidade ambos eletrizados.



Contato

Contato com a terra:

Porém, como as dimensões do corpo são desprezíveis, quando comparadas com as da Terra, a carga elétrica que nele permanece, após o contato, é tão pequena que pode ser considerada nula, pois não consegue manifestar propriedades elétricas.



Contato


Assim, ao se ligar um condutor à Terra, dizemos que ele se descarrega, isto é, fica neutro.



Contato


Na prática, pode-se considerar a Terra como um enorme reservatório condutor de elétrons. Então, ao ligarmos um outro condutor eletrizado à Terra, ele se descarrega de uma das seguintes formas:



Indução

Na figura abaixo, observa-se um corpo carregado negativamente

sendo aproximado de um corpo neutro. Os elétrons do corpo neutro são deslocados por repulsão para a extremidade mais distante do corpo neutro. Essa separação é chamada de indução.



Indução

Nestas condições dizemos que o corpo neutro ficou polarizado.



Indução

Observando o seguinte exemplo, se ligarmos o condutor B à terra, as

cargas negativas, repelidas pelo corpo A, escoam-se para terra e o corpo B fica carregado.



Indução

Obs.: Na eletrização por indução, o induzido eletriza-se com carga

de sinal contrário à do indutor. A carga do indutor não se altera.


Cálculo e determinação da carga elétrica

Cálculo da quantidade de carga (q)

Sabe-se que um módulo (valor sem sinal) da carga elétrica de um

próton é igual a carga elétrica de um elétron. Esta quantidade de carga elétrica, por constituir-se na menor porção de eletricidade existente num corpo é denominada CARGA ELÉTRICA ELEMENTAR, a qual será dada pela letra e (e = 1,6.10-19 C).




Assim todas as outras quantidades de cargas elétricas serão

múltiplos inteiros da quantidade de carga elétrica elementar. Por isso, dizemos que a carga elétrica é quantizada, isto é, formada por um número inteiro de cargas elementares.




A partir do conhecimento da quantidade de carga elétrica

elementar, podemos determinar a quantidade de carga elétrica de um corpo qualquer.

Exemplo: Certo corpo tem 5 elétrons e 2 prótons. Qual a carga elétrica do corpo?




Na parte inferior da figura abaixo, o corpo foi dividido em duas

partes, A e B. Na parte A, o número de prótons é igual ao número de elétrons, de modo que a quantidade de carga elétrica correspondente é nula. Na parte B, estão indicados apenas os elétrons restantes, os quais serão os responsáveis pelas manifestações elétricas.




Se tivéssemos apenas 1 elétron predominando, a quantidade de

carga elétrica seria 1,6.10-19C. Como temos 3 elétrons, basta multiplicarmos o valor anterior 3, obtendo-se daí o valor da quantidade de carga elétrica do corpo, ou seja, uma carga negativa (-) q = 4,8.10-19C. Entre parênteses indica-se o sinal dessa carga (negativa = excesso de elétrons).




Fazendo-se uma análise destes cálculos, notamos que a quantidade

de carga elétrica de um corpo está associada à diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que existem no corpo. Em função disto, podemos deduzir a seguinte expressão para o cálculo da quantidade de carga elétrica.



Múltiplos e submúltiplos

Em virtude de trabalharmos com valores elevados e/ou, muito

baixos, necessitamos de múltiplos e submúltiplos. A seguir apresentamos a tabela de múltiplos e submúltiplos das unidades de medidas do SI (Sistema Internacional de unidades).



Problemas resolvidos

1. Um certo corpo possui 100 prótons e 80 elétrons. Determine o

valor da quantidade da carga elétrica existente no corpo.




1. Um certo corpo possui 100 prótons e 80 elétrons. Determine o

valor da quantidade da carga elétrica existente no corpo.

R:

np = 100 ne = 80 n = np – ne = 100 - 80 = 20 q = ?

q = n . e

q = 20.1,6 . 10-19C




2. Um determinado corpo eletrizou-se, ficando com uma

quantidade de carga (-) q = 640mC.

2.1 Determine qual o tipo de partículas que predominam neste corpo.






2.1 Determine qual o tipo de partículas que predominam neste corpo.

R:

Como a carga é negativa, predominam os elétrons






2.2 Determine qual o número de partículas que predominam neste corpo.






2.2 Determine qual o número de partículas que predominam neste corpo.

R:

(-) q = 640mC = 640 . 10-3C

q = n . e ---> n = q/e

n = 640 . 10-3C/ 1,6 . 10-19C



Exercícios:

1. Qual a carga de um corpo que possui 25.1018 elétrons em

excesso? R.: qc = 4C. 2. Quantos prótons em excesso possui um corpo que apresenta

uma carga elétrica de 1C? R.: 6,25.1018 prótons. 3. Um corpo que tem uma carga positiva possui mais prótons do

que elétrons? R.: Verdadeiro. 4. Dizemos que um corpo é neutro quando ele possui o mesmo

número de prótons e de elétrons. R.: Verdadeiro. 5. O núcleo do átomo é formado por elétrons e prótons. R.: Falso.



Exercícios:

6. Calcule a carga elétrica de um corpo que possui excesso de

24.1012 elétrons. R.: -38,4.10-7 C. 7. Uma esfera metálica tem carga elétrica negativa de valor igual a

3,2.10-4 C. Pode se concluir que a esfera contém: R.: Um excesso de 2.1015 elétrons.


Eletrostática

Referências bibliográficas:

SILVA FILHO, MATHEUS TEODORO. Fundamentos de eletricidade. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

GUSSOW, Milton. Eletricidade básica. 2ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books,1997.

BOYLESTAD, R. L. Introdução à Análise de Circuitos. 10ª ed. Pearson Education, 2004

FOWLER, Richard. Fundamentos de eletricidade. 7ª ed. Vol. 1 e 2. São Paulo: Makron Books, 2013.

ALVARENGA, Beatriz; MÁXIMO, Antônio. Curso de Física. Vol. 3. São Paulo: Scipione, 2006.

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