CARGAS ELÉTRICAS INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA GRADUAÇÃO EM engenharia mecânica CAMPUS.

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1 CARGAS ELÉTRICAS INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA GRADUAÇÃO EM engenharia mecânica CAMPUS LAGES PATRESE VIEIRA JULHO DE 2017

2 Sabe-se do dia a dia que há materiais que conduzem eletricidade com facilidade e outros não. Isso implica na classificação de dois tipos de materiais em relação à condução da eletricidade: os materiais condutores e os isolantes elétricos ou dielétricos.

3 Há materiais com características intermediárias, como os semicondutores, e outros cujo facilidade de condução seria ideal, os supercondutores, no entando vamos nos ater inicialmente apenas aos dois casos iniciais.

4 ● Condução de Eletricidade A eletricidade é um fenômeno natural decorrente da manifestação das cargas elétricas. Há nos átomos duas principais partículas portadoras de carga elétrica: Prótons: possuem carga elétrica positiva. Elétrons: possuem carga elétrica negativa.

5 Essas partículas encontram-se em localizações específicas em qualquer átomo. Prótons e nêutrons encontram-se no núcleo atômico, enquanto os elétrons movem-se ao seu redor, na região denominada eletrosfera. ELETROSFERA NÚCLEO

6 1 ângstron = m

7 KJK

8 Dessa forma, os elétrons são as partículas que possuem maior mobilidade em um átomo, por se encontrarem na região mais externa. A interação dos elétrons de determinado átomo com os elétrons de átomos vizinhos forma uma corrente elétrica. É a corrente elétrica a responsável por transmitir a eletricidade.

9 A corrente elétrica é umas das grandezas físicas fundamentais adotadas pelo Sistemas Internacional de Medidas (SI). É definida pela taxa de variação temporal da carga elétrica em um condutor: 𝑖= 𝑑𝑞 𝑑𝑡 Sua unidade de medida SI foi determinada como sendo o Ampère [A]

10 Para a carga elétrica q, se tem conseuentemente que sua unidade de medida será o Ampère vezes segundo, denominada Coulomb [C].

11 Há materiais nos quais os elétrons conseguem agitar-se com maior facilidade, possuindo ligação mais fraca em relação ao núcleo do átomo, o que favorece a formação de uma corrente elétrica e a consequente condução de eletricidade. Nesse caso, se tem os condutores elétricos, materiais com maior quantidade de elétrons livres.

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13 Os condutores elétricos mais comuns são boa parte dos metais e ligas metálicas, como a prata, ouro, cobre, latão, zinco, aço etc.

14 Alguns condutores não-metálicos conhecidos são o grafite e a água não-pura.

15 Por outro lado, existem materiais nos quais os elétrons estão mais fortemente ligados ao núcleo atômico, possuindo menor agitação, o que implica em correntes elétricas menos intensas. Quando isso é observado, o material não é um bom condutor de eletricidade, sendo classificado como isolante elétrico ou dielétrico.

16 A maioria dos materiais que conhecemos são isolantes elétricos, como papéis, madeiras, vidros, borrachas, plásticos, tecidos, pedras, areia, porcelana, ar, água pura etc.

17 KJK

18 Os isolantes possuem grande importância na indústria de equipamentos elétricos, como na construção das capas dos fios e cabos de ferramentas, proteção de componentes elétricos e produção de equipamentos de proteção contra choques.

19 Cargas elétricas de sinais opostos se atraem.
A maioria dos corpos, sejam estes isolantes ou condutores, está eletricamente neutra no ambiente. Esta neutralidade é a tendência natural dos corpos, devido ao comportamento de interação das cargas elétricas: Cargas elétricas de sinais opostos se atraem. Cargas elétricas de sinais iguais se repelem.

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21 ● Eletrização Há procedimentos que permitem deixar um corpo com um excesso de cargas positivas ou de cargas negativas. Quando isso ocorre, diz-se que o mesmo está eletrizado ou eletricamente carregado. Como os prótons estão presos ao núcleo atômico, é a movimentação dos elétrons que provoca a eletrização.

22 Os processos de eletrização envolvendo os dielétricos (isolantes) são úteis para a compreensão do comportamento das cargas elétricas, inclusive para o entendimento de processos mais complexos, como a construção de circuitos elétricos.

23 Corpo com carga positiva.
Se um corpo inicialmente neutro perder elétrons, o mesmo ficará carregado positivamente, já que terá mais prótons. Corpo com carga positiva.

24 Corpo com carga negativa.
Já um corpo neutro que recebe elétrons ficará negativamente carregado, pois estará com mais elétrons. Corpo com carga negativa.

25 Há três diferentes processos de eletrização:
Atrito: consiste na fricção entre os corpos, sendo os elétrons migram de um para o outro. Ao final do processo, um corpo ficará com carga negativa (excesso de elétrons) enquanto o outro estará com carga positiva (falta de elétrons). A série triboelétrica mostra quais corpos tendem a ficar com carga positiva ou negativa quando atritados.

26 Indução: ocorre quando um corpo eletricamente carregado aproxima-se de um segundo, sem realizar contato. A aproximação entre ambos polariza das cargas elétricas do corpo neutro, havendo ao fim uma atração entre ambos. Corpo Neutro Corpo Carregado

27 Contato: Quando um corpo eletrizado toca em outro (eletrizado ou neutro), há uma transferência de elétrons livres entre ambos. Dessa forma, os dois corpos ficarão com cargas de mesmo sinal e, por consequência, se repelirão mutuamente.

28 Independentemente do processo de eletrização que se observa, se tem que a carga elétrica total dos corpos é a mesma no início e no fim da interação (considerando o sistema isolado), uma vez que existe uma conservação da carga elétrica.

29 ● Lei de Coulomb Para que haja o movimento de atração ou repulsão entre as cargas elétricas é necessário que haja a ação de uma força, no caso a força eletrostática 𝐹 . A lei que pemite o cálculo dessa força exercida por partículas carregadas é a Lei de Coulomb: 𝐹 =𝑘 𝑞 1 𝑞 2 𝑟 2 𝑟

30 milicoulomb = 1 mC = 10-3C microcoulomb = 1 μC = 10-6C
q1 e q2 são as cargas elétricas que produzem a força elétrica. Sua unidade de medida no SI é o Coulomb, porém por vezes são empregados seus submúltiplos: milicoulomb = 1 mC = 10-3C microcoulomb = 1 μC = 10-6C nanocoulomb = 1 nC = 10-9C r é a distância entre as cargas elétricas, medida em metros, sendo 𝑟 o vetor unitário na direção da reta que as liga.

31 Outra forma de expressar a Lei de Coulomb é fornecida por:
k é conhecida como a constante eletrostática ou constante dielétrica do meio, cujo valor varia de acordo com o meio material onde ocorre a interação entre as cargas elétricas. Outra forma de expressar a Lei de Coulomb é fornecida por: 𝐹 = 1 4𝜋 𝜀 0 𝑞 1 𝑞 2 𝑟 2 𝑟 Nesse caso a constante eletrostática k foi redefinida em termos da permissividae elétrica 𝜀 0 , sendo para o vácuo: 𝜀 0 = 8,85 x C²/N.m² Portanto: 𝑘= 1 4𝜋 𝜀 0 =8,99 𝑥 𝑁.𝑚²/𝐶²

32 Sendo a força eletrostática um vetor, a mesma respeita o princípio da superposição:
𝐹 1,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹 𝐹 𝐹 14 +…+ 𝐹 1𝑛 A Lei de Coulomb foi criada de maneira análoga à Lei da Gravitação Universal de Newton, no qual duas partículas com massa são responsáveis pela produção da força gravitacional. Devido essa semelhança, o teorema as cascas esféricas permanece válido para a Lei de Coulomb:

33 “Uma casca com uma distribuição uniforme de cargas atrai ou repele uma partícula carregada situada do lado de fora da casca como se toda a carga estivesse no centro da casca”; “Se uma partícula carregada está situada no interior de uma casca com uma distribuição uniforme de cargas, a casca não exerce nenhuma força eletrostática sobre a partícula”.

34 ● Quantização da Carga Elétrica
A carga elétrica de um corpo é sempre um múltiplo de uma quantidade mínima denominada carga elétrica fundamental e, sendo: e = 1,6 x C

35 Os menores entes que possuem carga elétrica inteira são os elétrons e os prótons. Por convenção, os elétrons possuem carga elétrica negativa, enquanto os prótons possuem carga elétrica positiva: qe = – 1,6 x C qp = + 1,6 x C Os nêutrons não possuem carga elétrica, ou seja, são eletricamente neutros. qn = zero

36 É possível descobrir qual a carga elétrica de um corpo contando o número de cargas fundamentais que ele possui, o que é estabelecido pela seguinte relação: q = ne Onde q é carga total do corpo, e a carga elétrica fundamental e n é o número de partículas que constitui determinado corpo, sendo n = 1, 2, 3, 4, 5, ...

37 EXEMPLO 1

38 EXEMPLO 1

39 EXEMPLO 1

40 EXEMPLO 2

41 EXEMPLO 3

42 EXEMPLO 3

43 EXEMPLO 4

44 Referências Halliday, Resnick e Walker
Referências Halliday, Resnick e Walker. Fundamentos de Física, volume 3, Eletromagnetismo. 9ª edição, editora LTC, Rio de Janeiro, Hewitt. Fundamentos de Física Conceitual. Bookman, Porto Alegre, Máximo e Alvarenga. Curso de Física – Volume 3. Scipione, São Paulo, Pietrocola et al. Física em Contextos – Volume 3. FTD, São Paulo, 2010 As imagens e exemplos foram extraídas das fontes acima ou do banco de dados do google.