Projeto A prática das Ciências Exatas e Naturais no viés da formação de futuros Engenheiros FINEP Financiadora de Estudos e Projetos Ministério da Ciência e Tecnologia Universidade Estadual do Oeste do Paraná FUNDEP – Fundação de Apoio ao Ensino, Extensão e Pesquisa e Pós-Graduação APMF – WJ - Colégio Estadual Wilson Joffre

Eletrostática

Carga elétrica Condutores e isolante (dielétrico) Processos Eletrização: Por atrito, Por indução, Por contato, Por aquecimento e Por pressão Lei de Coulomb Quantização da carga elétrica Eletroscópio Campo elétrico

Eletrostática Experimentos; Garrafa pet, canudinho, papel higiênico, alfinete Gerador Van de Graaff G.V. Torre com cabeleira G.V. Eletroscópio de folha e pendulo G.V. Hélice (torniquete) ionização G.V. lâmpadas na presença do campo G.V. Linha de campo retro-projeto G.V. descarga elétrica (pequenos raios no escuro) G.V. potencial elétrico – multimetro e ponta de prova G.V. garrafa de leyden

Portadores de Cargas Os portadores de carga elétrica são: elétrons - que transportam carga negativa Íons - Cátions transportam cargas positivas Ânions cargas negativas

Partícula Carga (C) Massa (Kg) elétron -1,6021917 x 10-19 9,1095 x 10-31Kg próton 1,6021917 x 10-19 1,67261 x 10-27Kg nêutron 1,67492 x 10-27Kg

Condutores elétricos São materiais que apresentam portadores de cargas elétricas (elétrons ou íons) quase livres, o que facilita a mobilidade dos mesmos em seu interior. São considerados bons condutores, materiais com alto número de portadores de cargas elétricas livres e que apresentam alta mobilidade desses portadores de cargas elétricas.

Isolantes ou dielétricos Os materiais isolantes se caracterizam por não apresentar portadores de cargas elétricas livres para movimentação. Nesses materiais, a mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula, ficando os mesmos praticamente fixos no seu interior.  Exemplos: borracha, madeira, água pura, etc

Por atrito   Foi o primeiro processo de eletrização conhecido. Quando duas substâncias de naturezas diferentes são atritadas, ambas se eletrizam.

Por indução Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza. Esse fenômeno é chamado indução eletrostática.

Por contato  Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza

Por aquecimento  Certos corpos, quando aquecidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários em dois pontos diametralmente opostos. O fenômeno é chamado fenômeno piroelétrico. É mais comum em cristais, como por exemplo na turmalina.

Por pressão Certos corpos, quando comprimidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários nas extremidades. O fenômeno é chamado fenômeno piezoelétrico. Também é mais comum em cristais, como por exemplo, turmalina, calcita e quartzo.

- Séries triboelétricas + Pele humana seca Couro Pele de coelho Vidro Cabelo humano Fibra sintética (nylon) Lã Chumbo Pele de gato Seda Alumínio Papel Algodão Aço Madeira Âmbar Borracha dura Níquel, Cobre, Latão, Prata, Ouro, Platina, Poliéster Isopor Filme PVC ('magipack') Poliuretano Polietileno ('fita adesiva') Polipropileno Vinil (PVC) Silicone Teflon Séries triboelétricas - + Vidro Mica Lã Seda Algodão Madeira Âmbar Enxofre Metais

Raio, Trovão e Relâmpago

O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o trovão audível.

Lenda: Se não está chovendo não caem raios. Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva. Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa seja atingida por um raio. Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior; sem tocar em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro é sempre mais seguro dentro do que fora dele. Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e não devem ser tocadas. Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico, especialmente reanimação cardio-respiratória. Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Verdade: Não importa qual seja o local ele pode ser atingido repetidas vezes, durante uma tempestade. Isto acontece até com pessoas.

PRINCÍPIO ELETROSTÁTICO PRÍNCIPIO DE ATRAÇÃO E REPULSÃO + + F F - - F F - + F F

Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e as de sinais opostos se atraem

Carga elétrica não se cria, não se perde, apenas se transfere PRÍNCIPIO DE CONSERVAÇÃO DA CARGA ELÉTRICA Carga elétrica não se cria, não se perde, apenas se transfere Num sistema eletricamente isolado, a soma das cargas elétricas é constante.

- - - + + + + + + Q = 3Q Q = -5Q Q Q Q Q = Q Q -2Q Q Q 3Q+(-5Q) -Q Q = 1 2 - - - + + + 1 2 + 2 1 Q + Q ! Q ! Q = Q ! Q ! 2 1 DEPOIS DO CONTATO ANTES DO CONTATO + 2 -2Q 1 Q Q 3Q+(-5Q) -Q Q ! = Q ! = = = = 1 2 2 2 2 2 1 Q ! = Q ! = -Q

Lei de Coulomb Charles Coulomb mediu as forças eléctricas entre duas pequenas esferas carregadas Ele descobriu que a força dependia do valor das cargas e da distância entre elas

LEI DE COULOMB Q Q 1 2 F F + + d Q Q - 1 2 - F F d Q Q 2 1 - F F + d

F z K=Constate eletrostática Q Q . = K 1 2 1 K Q Q 1 . . F = 1 2 2 d 2 d K Q Q . . F = 1 2 d 2

K Q Q F = d 14 K Q Q F = d 19 K Q Q F = d F = 1/4F F = 1/9F Q Q . . + 2 1 . . F = d 1 2 + + d 2 1 Q Q 1 2 14 K Q Q 2d . . F = + + 1 d 2 2 Q Q 1 2 19 K Q Q 3d . . F = + + 1 d 2 3 F = 1/4F F = 1/9F 3 2 1 1

K Q Q F = d 4.K Q Q F = d 9.K Q Q F = d F = 4F F = 9F Q Q . . + + Q Q 1 2 . . d F = 1 + + d 2 1 Q Q 1 2 4.K Q Q d/2 F = . . + + 1 d 2 2 Q Q 2 1 9.K Q Q d/3 . . + F = + 1 2 d 2 3 F = 4F F = 9F 3 2 1 1

K Q Q F = d 2K Q Q F = d 3K Q Q F = d F = 2F F = 3F Q Q . . + + 2Q Q + 1 . . F = d 1 2 + + d 2 1 2Q Q 2 1 2K Q Q d + . . + F = 2 1 d 2 2 3Q Q 2 1 d 3K Q Q + + . . F = 2 1 d 2 3 F = 2F F = 3F 3 2 1 1

F F + +

Campo elétrico

TRABALHO DA FORÇA ELÉTICA Q > 0 q > 0 F + + SENTIDO NATURAL DO DESLOCMENTO  >0 Q > 0 q < 0 F + + SENTIDO NATURAL DO FORÇADO  <0

O Trabalho não depende da trajetória. C B    = = C B A O Trabalho não depende da trajetória.

Q q F B d A d A  AB F.d AB = AB  q.K Q.(1 – 1) = AB d d A B

  q.K Q.(1 – 1) q.K .Q ∞ ∞ ∞ d d d d d Q q F B A A AB = A A B = A A  q.K Q.(1 – 1) = ∞ A d d A B  q.K .Q Podemos afirmar que esse é o maior trabalho da força elétrica, para deslocar uma carga do ponto A até o infinito = ∞ A d A

Sendo EpB = 0 por considerar o infinito como referencial ENERGIA PONTENCIAL ELÉTRICA   = q.K Q.(1 – 1 ) q.K .Q ∞ A = ∞ A d d A d B A Sendo EpB = 0 por considerar o infinito como referencial  E E = - ∞ A P A P B  E q.K .Q = E = ∞ A P A P A d A

POTENCIAL ELÉTRICO A grandeza escalar potencial elétrico é definida como a energia potencial elétrica por unidade de carga. Colocando-se uma carga q num ponto A de um campo elétrico de uma carga puntiforme Q, adquire uma energia potencial elétrica EpA. A relação potencial, energia potencial elétrica e carga é:

1V E E V E V V = 1 volt q.K .Q = = q d A q.K .Q d A K .Q = = = d q q A P = = A q P A A d A q.K .Q d E A K .Q = V P = = A d q q A A 1V K .Q 1 joule V = 1 volt = = d A A 1coulomb

POTENCIAL DE VÁRIAS CARGAS Q1 d1 Q2 P d2 d3 VP= V1 + V2 + V3 Q3 O POTENCIAL NUMA REGIÃO SOBRE A INFLUÊNCIA DE VÁRIOS CAMPOS É A SOMA DOS POTENCIAIS ELÉTRICOS GERADO POR ESSES CAMPOS

DIFERENÇA DE POTENCIAL (U) Q q F B A d AB   E E = - q.VA - q.VB = A B P A A P B B { E = q.VA  P q.(VA - VB) A = A E B = q.VB P B

DIFERENÇA DE POTENCIAL (U)  q.(VA - VB) = A B UAB É chamado de diferença de potencial elétrica entre os pontos A e B (ddp) ou tensão elétrica entre os pontos A e B.  AB U = q

VARIAÇÃO DO POTENCIAL AO LONGO DE UMA LINHA DE FORÇA Q A B C + Como dA<dB <dc, temos: VA >VB >VC K .Q V = d Percorrendo uma linha uma linha de força no seu sentido, encontramos sempre pontos de menor potencial. VA >VB >VC A B C

VARIAÇÃO DO POTENCIAL AO LONGO DE UMA LINHA DE FORÇA Q A B C - Como dA < dB < dc, temos: VA > VB > VC K .Q V = d Percorrendo uma linha de força no seu sentido, encontramos sempre pontos de menor potencial. VA > VB > VC A B C

DIFERENÇA DE POTENCIAL NUM CAMPO ELÉTRICO UNIFORME  E q.(VA - VB) = A B F UAB q  q.E.d = A d B q.(VA - VB) q.E.d VA = VB UAB= E.d

SUPEFÍCIE EQUIPOTENCIAL Numa superfície equipotencial as linhas de força são sempre perpendiculares às superfícies equipotenciais. VB VA VA VB