Eletrostática – Introdução a eletricidade
Você esta iniciando seus estudos em um ramo da Física com o qual temos contato diariamente, a eletricidade.
As primeiras experiências relacionadas à eletricidade de que se tem notícia ocorreram na Grécia antiga. Numa dessas experiências, um bastão de âmbar, uma resina vegetal fossilizada, era atritado com um pedaço de pele de animal, adquirindo, depois disso, a capacidade de atrair pequenos pedaços de palha seca. A palavra grega para âmbar, élektron, deu origem ao termo eletricidade.
Aposto que você não consegue imaginar sua vida sem eletricidade. Esta fazendo uso dela nesse exato momento enquanto lê esse texto. Ficar sem esse recurso não seria tarefa fácil. Diferentes tipos de aparelhos usados no dia a dia são alimentados pela energia elétrica que chega às nossas casas. Os equipamentos portáteis, como máquinas fotográficas digitais, aparelhos de MP3 e telefones celulares funcionam com pilhas e baterias recarregáveis.
Entender como a eletricidade funciona e como pode ser usada de modo mais seguro e eficiente é o principal objetivo dessa área da física conhecida como eletromagnetismo. Mas primeiro estudamos os fenômenos elétricos em seguida os magnéticos e depois juntamos tudo. Isso é feito para que possamos entender melhor o assunto.
Constituição do átomo e corpos eletrizados
Toda matéria é constituída de átomos. Os átomos, em um modelo simplificado, são compostos fundamentalmente de prótons, nêutrons e elétrons.
Nesse modelo, conhecido como modelo atômico planetário, apresentado em 1911 por Ernest Rutherford (1871-1937), prótons e nêutrons estão concentrados na diminuta e massiva região central do átomo, formando o núcleo. Os elétrons, em constante movimentação, distribuem-se ao redor desse núcleo, numa região denominada eletrosfera.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a carga elétrica é medida em coulomb (símbolo C), em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806). A carga elétrica fundamental é dada por:
$$ e=1,6 \cdot 10^{-19} \mathrm{C} $$
Para as partículas atômicas carregadas que estudaremos, temos:
Em eletricidade, é muito comum utilizar os submúltiplos do coulomb:
– \(1 \mathrm{mC}=1\) milicoulomb \(=10^{-3} \mathrm{C}\)
– \(1 \mu \mathrm{C}=1\) microcoulomb \(=10^{-6} \mathrm{C}\)
– \(1 \mathrm{nC}=1\) nanocoulomb \(=10^{-9} \mathrm{C}\)
– \(1 \mathrm{pC}=1\) picocoulomb \(=10^{-12} \mathrm{C}\)
Corpos eletrizados
Normalmente, um corpo qualquer apresenta o número de prótons igual ao número de elétrons; nessa situação, dizemos que o corpo está eletricamente neutro, ou, simplesmente, neutro. Nesse caso, ele terá carga elétrica total nula.
Mas se um corpo apresenta número de prótons diferente do número de elétrons, dizemos que ele está eletrizado, isto é, esse corpo tem carga elétrica total diferente de zero. Assim, eletrizar um corpo significa tornar diferente seu número de prótons do seu número de elétrons.
É importante destacar que, no processo de eletrização, podemos alterar apenas o número de elétrons do corpo, nunca o número de prótons.
Podemos ter, então um corpo eletrizado negativamente: apresenta um número de elétrons maior do que o número de protons;
Podemos ter, então um corpo eletrizado positivamente: apresenta um número de elétrons menor do que o número de prótons;
Se chamarmos de \(n\) o número de elétrons em excesso ou em falta no corpo, então, a quantidade de carga elétrica, ou simplesmente, a carga elétrica desse corpo, representada por \(Q\), será:
$$ Q=\pm n \cdot \mathrm{e} $$
O sinal positivo (+) é usado quando o corpo apresenta falta de elétrons, e o sinal negativo (-), quando o corpo apresenta excesso de elétrons.
A relação anterior nos mostra que a carga elétrica é uma grandeza quantizada, ou seja, tem apenas valores discretos. Esses valores são sempre múltiplos inteiros da carga elementar \(e: \pm 1,6 \cdot 10^{-19} \mathrm{C}(e), \pm 3,2 \cdot 10^{-19} \mathrm{C}(2 e), \pm 4,8 \cdot 10^{-19} \mathrm{C}(3 e)\), \(\pm 6,4 \cdot 10^{-19} \mathrm{C}(4 e), \ldots\)
Corpos condutores e isolantes
Diferentes corpos podem ser constituídos de diferentes substâncias, compostas de átomos com números de prótons, elétrons e nêutrons distintos. Nos metais como ouro, prata, cobre, alumínio e ferro – os elétrons que ocupam a camada de valência do átomo podem se desprender com relativa facilidade. Esses elétrons são chamados elétrons livres.
Os elétrons livres podem transitar pelo material, passando de um átomo para outro átomo vizinho. Os materiais cujos átomos possuem elétrons livres, elétrons fracamente ligados aos núcleos, são denominados condutores de eletricidade. Além dos metais, as soluções iônicas, os gases ionizados e o corpo humano também são condutores de eletricidade.
Alguns materiais não possuem elétrons livres ou os possuem em quantidade insuficiente para a condução de eletricidade. Esses materiais são denominados isolantes. O vidro, os plásticos, a borracha, a madeira seca, a lã e o ar são exemplos de materiais isolantes.
Referências:
Ferraro, Nicolau Gilberto Física, volume único / Nicolau Gilberto Ferraro, Carlos Magno A. Torres, Paulo Cesar M. Penteado. 1. ed. – São Paulo: Moderna, 2012. – (Vereda digital)
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