Conheça a história dos primeiros fenômenos elétricos descobertos pelo homem e tornaram possível o desenvolvimento das centenas de tecnologias que nos rodeiam hoje em dia!
Introdução
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| Tales de Mileto (640-546 a.C.) |
Tudo começou com um filósofo e matemático grego chamado Tales de Mileto (640-546 a.C). Considerado um dos sete sábios da Grécia Antiga, foi ele quem observou pela primeira vez que ao atritar uma resina fóssil, o âmbar, em um tecido ou pele de animal, acontecia algo inesperado, o âmbar adquiria a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha e pequenas penas de aves. Como em grego a palavra usada para designar o âmbar é élektron, dela derivaram-se as palavras elétron e eletricidade!
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| Âmbar, do grego élektron, é uma espécie de seiva vegetal petrificada. |
Por muito tempo após as observações de Tales de Mileto nada foi acrescentado, no entanto, no final do século XVI, um homem chamado William Gilbert (1540-1603), médico da rainha Elizabeth I da Inglaterra, repetiu a experiência com o âmbar e descobriu que outros materiais além do âmbar também apresentavam a propriedade de atrair outros pequenos objetos. Ficando evidente que essa propriedade não era exclusiva do âmbar.
Como nessa época já se conhecia o método científico, criado por Galileu Galilei, Gilbert desenvolveu vários experimentos e publicou o livro De magnete, que trazia também um estudo sobre ímãs. Nele Gilbert fazia clara distinção entre atração de materiais eletrizados por atrito e da atração exercida por ímãs. Propôs também um modelo em que considerava o planeta Terra como sendo um grande ímã, explicando assim o funcionamento das bússolas.
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| Capa do livro De Magnete de William Gilbert. |
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| William Gilbert (1540-1603). |
Por volta de 1729 o inglês Stephen Gray (1666-1739) descobriu que a propriedade de atrair ou repelir poderia ser transferida de um corpo para outro através de contato! Até então, acreditava-se que somente por atrito conseguia-se eletrizar um objeto.
Também nessa época outro cientista chamado Charles François du Fay (1698-1739) realizou um experimento em que atraia uma fina folha de outro com um bastão de vidro eletrizado. No entanto, ao encostar o bastão na folha, essa era repelida ao invés de ser atraída. Du Fay sugeriu então a existência de duas formas de "eletricidade" que denominou eletricidade vítrea e eletricidade resinosa.
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| Stephen Gray (1666-1739). |
Também nessa época outro cientista chamado Charles François du Fay (1698-1739) realizou um experimento em que atraia uma fina folha de outro com um bastão de vidro eletrizado. No entanto, ao encostar o bastão na folha, essa era repelida ao invés de ser atraída. Du Fay sugeriu então a existência de duas formas de "eletricidade" que denominou eletricidade vítrea e eletricidade resinosa.
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| Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739) |
Em 1747, o grande político e cientista norte-americano Benjamin Franklin (1706-1790), também inventor do para-raios, propôs uma teoria que considerava a carga elétrica como um único fluido elétrico, que podia ser transferido de um corpo para outro e aquele corpo que perdia esse fluido ficava com falta de carga elétrica (negativo) e o que recebia ficava com excesso de carga elétrica (positivo).
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| Benjamin Franklin (1706-1790) |
Obs: Hoje sabe-se que, na verdade, são os elétrons que são transferidos! Um corpo com "excesso" de elétrons está eletrizado negativamente, enquanto um corpo com "falta" de elétrons está eletrizado
positivamente.
A carga elétrica
Passe o mouse ou o dedo!
A noção de carga elétrica surge quando se observa que os átomos são formados por partículas denominadas prótons e nêutrons, e ao seu redor, existe uma região chamada eletrosfera, em que existem os elétrons. Sabe-se que a massa do próton e do nêutron são praticamente iguais, e a massa de um elétron é extremamente menor que a do próton, cerca de 2 mil vezes menor!
Um fenômeno interessante acontece quando se lança um próton, um nêutron e um elétron através de um ímã em forma de U, observa-se que o próton desvia para cima, o elétron desvia para baixo e o nêutron não sofre desvio, conforme ilustrado na Figura abaixo:
Esse resultado revela que os prótons e o elétrons têm alguma propriedade que os nêutrons não têm. Essa propriedade foi denominada carga elétrica!
Passe o mouse ou o dedo!
Convencionou-se que o elétron possui carga negativa e o próton carga positiva. No entanto, o valor absoluto da carga do elétron e do próton são iguais. E esse valor absoluto é denominado carga elétrica elementar (e). Recebe o nome de elementar por ser a menor quantidade de carga que pode-se encontrar isolada na natureza.
Unidade de medida da carga elétrica
No Sistema Internacional de Unidades (S.I.) a unidade de medida da carga elétrica é o coulomb (C), em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806).
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| Charles Augustin de Coulomb (1736-1806). Engenheiro e físico francês, colaborou com a Comissão de Pesos e Medidas, que produziu no final do século XVIII um revolucionário sistema de medidas com base no sistema decimal. Estudou as atrações e repulsões elétricas e magnéticas, realizou muitas experiências utilizando a balança de torção para medir forças de origem elétrica entre partículas eletrizadas. |
"A quantidade de carga elétrica que atravessa, em um segundo, a secção transversal de um condutor percorrido por uma corrente elétrica contínua de intensidade igual a um ampère (A)."
Matematicamente, equivale a:
$$
1Coulomb=\frac{Ampère}{segundo}
$$
Um ‘coulomb’ é uma quantidade enorme de carga, então geralmente, trabalha-se com submúltiplos dessa unidade, conforme abaixo:
milicoulomb = mC = $10^{-3}$C
microcoulomb = $\mu$C = $10^{-6}$C
nanocoulomb = nC = $10^{-9}$C
picocoulomb = pC = $10^{-12}$C
A carga elementar (e)
O valor da carga elementar, determinado experimentalmente pela primeira vez pelo físico norte-americano Robert Andrews Millikan (1868-1953), é cerca de:
$$
e=1,6\times 10^{-19}C
$$
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| Robert Andrew Millikan (1868-1953). |
Carga elétrica do próton = +e
Carga elétrica do elétron = -e
Carga elétrica do nêutron = 0
Obs 1: Além dos prótons e dos elétrons também existem outras partículas que possuem a quantidade elementar de carga elétrica, como exemplo, os píons ($\pi^+$) e os múons ($\pi^-$) encontrados nos raios cósmicos.
Obs 2: Um valor mais preciso para a carga elementar é: $1,60217738\times 10^{-19}C$.
Obs 2: Um valor mais preciso para a carga elementar é: $1,60217738\times 10^{-19}C$.
Corpos eletrizados
Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando a quantidade de prótons e elétrons é igual, ou seja: $$Q_{elétrons}+Q_{prótons}=0$$
Porém, caso exista um número diferente de elétrons do que de prótons, o corpo se encontra eletrizado. Se houver mais elétrons do que prótons, então o corpo está eletrizado negativamente. Já se houver mais prótons então o corpo está eletrizado positivamente. A Figura abaixo ilustra essa ideia:
Pode-se dizer então que eletrizar um corpo significa mudar a sua quantidade de prótons e elétrons. No nosso cotidiano isso pode ser feito através da extração ou fornecimento de elétrons para o corpo, visto que alterações do número de prótons só podem ser produzidas em equipamentos sofisticados, como os aceleradores de partículas (ex: LHC).
Quantização da carga elétrica
A carga elétrica de um corpo é quantizada! Isso significa que só pode assumir valores múltiplos inteiros da carga elementar (e). Dado que ao eletrizar um corpo sempre se transfere ou retira-se um número inteiro de elétrons ou prótons. Assim, uma carga qualquer denotada por Q pode ser calculada por:
$$
Q=\pm ne,\quad n=1,2,3,\cdots
$$
No qual $n$ é o número de cargas elementares presentes no corpo. Por exemplo, um corpo com 5 elétrons possui carga:
$$
Q=-5\times 1,6\times 10^{-19}C = -8,0 \times 10^{-19}C
$$
Interaja com a Figura abaixo e observe os diferentes valores de carga elétrica possíveis conforme se aumenta ou diminui-se o número de cargas elementares!
Princípio da Eletrostática
Toda eletrostática baseia-se em dois princípios fundamentais: o princípio da atração-repulsão e o princípio da conservação das cargas elétricas. Vejamos cada um deles.
O Princípio da Atração e Repulsão
Ao serem aproximadas duas partículas eletrizadas com cargas elétricas de mesmo sinal, verifica-se que ocorre uma repulsão entre elas. Da mesma forma, se as partículas tiverem cargas elétricas de sinais opostos, ocorre uma atração entre elas. Assim, pode-se definir o Princípio da Atração e Repulsão como:
Partículas eletrizadas com cargas de mesmo sinais se repelem, enquanto que as eletrizadas com cargas de sinais opostos se atraem.
Interaja com a Figura abaixo e observe esse princípio em ação! Tente arrastar com o mouse ou com o dedo (caso sua tela seja touchscreen) as partículas de mesmo sinais perto uma da outra, e depois tente arrastar partículas com cargas de sinais contrários perto uma da outra.
O Princípio da Conservação de Cargas Elétricas
A propriedade de carga elétrica existente nas partículas elementares são inerentes a elas, ou seja, não se pode retirar ou adicionar carga as partículas elementares, como o elétron ou o próton. Assim, a carga total de um sistema eletricamente isolado deve permanecer constante. Então, pode-se enunciar o Princípio da Conservação de Cargas Elétricas como:
"A soma algébrica das cargas elétricas existentes em um sistema eletricamente isolado é constante."Dessa forma, se em um sistema eletricamente isolado houver n corpos, com pelo menos um deles eletrizado, poderá ocorrer trocas de cargas entre os corpos, porém, a soma algébrica dessas cargas será sempre a mesma, antes, durante e depois das trocas. A Figura abaixo ilustra esse conceito, arraste cargas elétricas de um corpo para o outro, note que ao final o total de cargas é sempre constante.
Matematicamente, isso equivale a:
$$
\Sigma Q_{antes} =\Sigma Q_{depois}
$$
Obs: A notação $\Sigma Q$ indica somatório de todas as n cargas $Q_1,Q_2,\cdots,Q_n$ do sistema.Bons Estudos!
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