Cargas elétricas e eletrização

Introdução

A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria, assim como sua massa, temperatura, dimensões, etc.

Conforme mencionado na Introdução, as primeiras observações de cargas elétricas foram feitas através do atrito entre corpos diferentes.

Observe a ilustração de uma experiência dessa natureza:


Fonte: Sears, vol.3


No primeiro teste, observa-se que duas barras de plástico atritadas com peliça passam a repelir-se. Dizemos que isso ocorre porque elas possuem cargas elétricas iguais, isto é, de mesma natureza.

Algo parecido ocorre quando se atritam duas barras de vidro com seda. Elas se repelem.

Porém, quando as barras de plástico e vidro são colocadas próximas, verifica-se que elas se atraem. Assim, elas possuem cargas opostas entre si. O mesmo acontece entre o plástico e a peliça, e entre o vidro e a lã. Quer dizer, quando um material é atritado com outro e ficam carregados eletricamente depois do atrito, suas cargas serão opostas. Quem primeiro conceituou essas diferentes naturezas das cargas elétricas foi Benjamin Franklin (1706-1790), e dizemos que o vidro após o atrito, fica com carga positiva, e o plástico, com carga negativa.

Daí podemos extrair uma primeira regra importante:

Cargas iguais, isto é, de mesma natureza, se repelem, e cargas opostas se atraem

Uma aplicação importante, como exemplo, são as impressoras a laser, que usam um pó chamado toner para a impressão das imagens e texto. Seu funcionamento está ilustrado abaixo:


Fonte: Sears, vol. 3

Quando dois corpos com quantidade de cargas elétricas diferentes se tocam, ocorre um equilíbrio de cargas, de modo que a carga final de cada corpo será igual à média aritmética das cargas iniciais. Observe a figura abaixo, onde as cargas estão indicadas em microcoulombs, que será explicado adiante. Estão indicadas as cargas inicias, antes de os corpos se tocarem, e finais, depois de se tocarem e se separarem novamente:




Natureza das cargas elétricas

Vale recordar aqui um modelo atômico que pode ser usado para explicar a natureza das cargas elétricas, que é o modelo de Ernerst Rutherford (1871-1937). Com uma experiência relativamente simples, Rutherford demonstrou que 99,9% da massa o átomo está concentrada no núcleo. Quer dizer, se um átomo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, praticamente toda sua massa estaria concentrada num corpo mais ou menos do tamanho de uma ervilha, no centro do campo. Sua experiência está ilustrada abaixo:


rutherford.jpg



Numa concepção mais recente, sabemos que o átomo é composto por três partículas fundamentais: prótons e nêutrons, no núcleo, e elétrons ao redor:

átomo.jpg


Associamos ao próton a carga elétrica elementar positiva, e ao elétron a carga elétrica elementar negativa. Salvo erros de medição, elas são iguais entre si, em módulo. O nêutron não possui carga elétrica. Como o número de prótons (chamado de número atômico do elemento) é, em geral, igual ao número de elétrons, a carga elétrica do átomo é nula. 

Podemos associar a carga elétrica de um corpo com a quantidade de elétrons excedentes presentes nele. Lembrando que o elétron tem carga negativa e o próton positiva, iguais em módulo, uma quantidade maior de elétrons do que de prótons num corpo faz com que ele tenha uma carga elétrica negativa. Do mesmo modo, se o número de elétrons for inferior ao de prótons, a carga do corpo será positiva. 

Como os elétrons têm mais mobilidade que o próton e o nêutron, eles podem passar de um corpo para outro. Assim, quando atritamos vidro com seda, os elétrons livres do vidro passam para a seda, de modo que ele fica com mais cargas positivas do que negativas. Igualmente, a seda fica com um excedente de elétrons, que a torna carregada negativametente. A carga total do sistema, porém, permanece constante, ou seja:

A soma algébrica total de todas as cargas existente em um sistema permanece constante.

Nesse modelo, é possível concluir também que a carga elétrica é quantizada, isto é, é composta de ‘pacotes’ fixos de energia, que é a carga do elétron. A carga de um corpo será sempre um múltiplo da carga elétrica do elétron. É verdade que se sabe que os prótons, por sua vez, são compostos de subpartículas, os quarks, cujos vários tipos de +/- 1/3 ou +/- 2/3 da carga do elétron. Mas os quarks não existem isolados, de modo que a quantidade de carga será um múltiplo da carga do elétron.


Condutores e isolantes

A mobilidade do elétron determina também se um material é um bom condutor ou um mau condutor de energia elétrica, ou isolante. Mais elétrons livres representam maior condutividade, como nos metais. Poucos elétrons livres, maior resistência à passagem da corrente, como na borracha e plásticos.


Fonte: Sears, vol. 3

Uma terceira categoria muito importante é a dos semi-condutores, como o silício, que são condutores ou não, dependendo de outras condições. São essenciais para a existência dos computadores, por exemplo.


Unidade da carga elétrica

No Sistema Internacional, a unidade adotada para carga elétrica é o Coulomb, abreviado com C, cuja definição será vista adiante. Aqui vale notar que a carga do elétron (e do próton) é igual a:

e.gif


Assim, um corpo carregado com 1 C tem um saldo de elétrons de:

el.gif


Como veremos, o Coulomb é uma unidade bastante grande de carga, assim é comum que sejam usados principalmente três sub unidades:

mc.gif


mili.gif


nano.gif


Carregamento por indução

Além de um corpo por ser eletrizado por atrito, isso pode acontecer também por indução. Neste caso, não há contato entre os corpos, apenas uma aproximação. Observe a sequência abaixo:



Quando aproximamos um bastão carregado negativamente, ocorre uma repulsão dos elétrons livres na esfera e eles se acumulam do lado oposto da esfera. Se ligarmos um fio condutor à terra, esses elétrons migrarão para lá. A seguir, remomendo o fio, e posteriormente o bastão, haverá uma falta de elétrons na esfera, o que a deixará carregada positivamente.

É o que acontece, por exemplo, quando aproximamos um pente carregado de pedaços de papel que não apresentam carga alguma. Mesmo nesse caso haverá um efeito de atração, pois as cargas semelhantes no papel (neutro eletricamente) migrarão para o lado oposto ao pente. Do lado próximo ao pente haverá um acúmulo de cargas opostas ao pente, o que causará a atração.

Fonte: Sears, vol. 3


Aula em Powerpoint

Lista de exercícios


Referências:

Sears & Zemansky, Física vol. 3, Cap. 21



© Marco A. Simões 2017