Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto Gaspar

Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto...

(Parte 2 de 7)

Por volta de 1750, o físico e político americano Benjamin Franklin (1706-1790) propôs a teoria do fluido único. Segundo essa teoria, todo corpo teria uma quantidade “normal” desse fluido. Por isso todo corpo seria eletricamente neutro. Se um corpo fosse atritado com outro, parte desse fluido passaria de um para o outro: o que adquirisse excesso de fluido estaria carregado positivamente, e o que ficasse com falta estaria carregado negativamente. Franklin foi o primeiro a usar as palavras positivo e negativo na eletricidade. Ele não conhecia os termos vítreo e resinoso criados por Du Fay.

Na prática, os corpos eletrizados positivamente correspondiam aos corpos que adquiriam eletricidade vítrea, na teoria dos dois fluidos, e os corpos eletrizados negativamente eram os que adquiriam eletricidade resinosa. Em outras palavras, positivo era sinônimo de vítreo, e negativo, sinônimo de resinoso. Durante muito tempo, ambas as teorias foram bem aceitas, pois explicavam satisfatoriamente os fenômenos elétricos. Os termos positivo e negativo, no entanto, acabaram por prevalecer.

Desde então, em meados do século XVIII, a eletricidade conheceu um progresso extraordinário, ao qual vamos nos dedicar nos próximos capítulos. Esse relato é suficiente para esta apresentação introdutória.

conexões: história

Benjamin Franklin também foi uma importante figura histórica. Teve participação fundamental na independência norte-americana, sendo por isso conhecido nos Estados Unidos como “Patriarca da Independência”.

14 unidade 1 – eletrostÁtica

2. A carga elétrica e a eletrização

Desde o estudo da Termodinâmica, a Física voltou-se predominantemente ao mundo microscópico, aos fenômenos cuja natureza está na existência e nas características e propriedades das partículas elementares, partículas indivisíveis que não são compostas de nenhuma outra. Na figura abaixo, podemos observar curiosos e artísticos desenhos que são traços deixados por partículas elementares atravessando uma câmara de bolhas; por meio desses traços é possível detectar essas partículas e conhecer algumas de suas propriedades (vamos descrever esse dispositivo e esse processo no capítulo 14).

Embora muito antiga, a hipótese de o átomo ser o constituinte elementar da matéria só foi definitivamente aceita no início do século X. Com ela, veio a descoberta de partículas elementares portadoras de carga elétrica que compõem o átomo. Provisoriamente podemos afirmar que o átomo é composto de elétrons (partículas que contêm a carga elementar negativa, dispostas em camadas que se assemelham a nuvens que envolvem o núcleo do átomo) e prótons (partículas de carga elétrica positiva, localizadas no núcleo), apesar de a concepção atual do átomo ser bem mais elaborada. Na figura da coluna ao lado, por exemplo, que mostra um esquema da concepção moderna de um átomo de sódio, a superfície das esferas laranja e a dos balõezinhos verdes indicam as regiões, chamadas orbitais, onde o elétron tem maior probabilidade de estar.

Traços deixados por partículas elementares atravessando uma câmara de bolhas.

breve histÓria do átomo

A ideia do átomo foi proposta pela primeira vez no século V a.C. pelos filósofos gregos Leucipo de Mileto (c. 480 a.C.-420 a.C.) e Demócrito de Abdera (c. 460 a.C.-370 a.C.). Ao que parece, preocupados em responder à questão da derradeira divisão possível da matéria, eles propuseram a existência dos átomos, unidades microscópicas e indestrutíveis que seriam os constituintes últimos da matéria. Sua hipótese, porém, não teve adeptos no seu tempo e só foi retomada mais de 2 0 anos depois pelo químico inglês John Dalton (1766-1844). Pode-se sintetizar a teoria atômica de Dalton em três ideias básicas: 1. Toda matéria é constituída de átomos, partículas esféricas sólidas, indivisíveis e indestrutíveis. 2. Todos os átomos de um dado elemento têm massa e propriedades idênticas. 3. Materiais compostos são formados pela combinação de duas ou mais espécies de átomos. Apesar da importância da teoria de Dalton para o desenvolvimento da Química, muitos físicos da época rejeitaram essa hipótese, que só veio a ser aceita no final do século XIX, principalmente depois de experiências dos físicos Jean-Baptiste Perrin (1870-1942), francês, e J. J. Thomson (1856-1940), inglês, que resultaram na descoberta do elétron, assunto do capítulo 13.

conexões: FiLOsOFia E QUÍMiCa

As ideias atomistas nasceram na Grécia antiga, com os primeiros filósofos que buscavam o conhecimento, entre outros aspectos, a partir da observação da natureza. As ideias de Demócrito e Leucipo foram resgatadas por John Dalton no século XIX, ao desenvolver sua teoria atômica, que foi fundamental para o desenvolvimento da Química como ciência moderna. O estudo da estrutura atômica é abordado com maior aprofundamento na disciplina de Química.

orbital 3s orbitais 2p núcleo orbital 2s orbital 1s Concepção moderna e esquemática de um átomo de sódio.

capítulo 1 – introdução à eletricidade 15

3. Condutores, isolantes e os processos de eletrização

Em princípio, condutor é o material através do qual as partículas portadoras de cargas elétricas podem mover- -se com facilidade. Quando isso não ocorre, ou ocorre com muita dificuldade, o material é chamado de isolante.

Na verdade, não existem condutores ou isolantes perfeitos. Em determinadas condições, qualquer material pode conduzir eletricidade, assim como todo condutor oferece limitações à condução de eletricidade, com exceção dos supercondutores.

Para tornar nossas explicações mais adequadas à compreensão atual da estrutura da matéria, vamos admitir que, nos condutores sólidos, apenas os elétrons, portadores de cargas negativas, sejam móveis. As cargas positivas, cujos portadores são prótons, não se movimentam, pois estão fixas à estrutura do material — os prótons estão vinculados ao núcleo dos átomos.

A ideia de eletrização é muito simples. Se a matéria é constituída de átomos e todos os átomos são eletricamente neutros, todo material é eletricamente neutro. Assim, no nível da estrutura elementar da matéria, eletrizar um corpo é fazer com que os seus átomos tenham um número de elétrons diferente do número de prótons. Dois processos básicos nos permitem provocar esse desequilíbrio: a eletrização por contato e a eletrização por indução.

A polarização elétrica é uma exceção — quando ela ocorre, um corpo com carga total nula pode interagir eletricamente com outros corpos. Nesse caso essa interação se deve a uma assimetria na distribuição das cargas elétricas desse corpo: um lado se torna predominantemente positivo, e o outro, predominantemente negativo. Essa é uma ideia provisória; vamos tratar a polarização elétrica com maior profundidade no estudo dos dielétricos, no capítulo 4.

super condutores

É muito difícil classificar de forma definitiva qualquer material como condutor ou isolante (o exercício resolvido 5 vai mostrar que muitos materiais que costumam ser classificados como isolantes em Eletrostática podem ser considerados condutores). Além dessa dificuldade, ainda há os semicondutores, materiais já existentes na natureza, ou criados artificialmente, que conduzem a eletricidade de forma peculiar. Os supercondutores, ao contrário, são materiais que se tornam condutores perfeitos quando resfriados a temperaturas baixíssimas.

Embora não saibamos o que seja carga elétrica, co- nhecemos suas inúmeras características e propriedades:

•Princípio da conservação da carga elétrica: a carga elétrica total de um sistema eletricamente isolado é constante.

•A carga elétrica é quantizada, isto é, seu valor é múltiplo do valor da carga elétrica elementar — a carga e do elétron.

•Existem dois tipos de carga elétrica, uma chamada negativa e outra chamada positiva.

•Cargas elétricas de mesmo tipo repelem-se; de tipos diferentes atraem-se.

•Em todo átomo, o número de elétrons (portadores da carga elementar negativa) é igual ao número de prótons (portadores da carga elementar positiva); portanto, todo átomo é eletricamente neutro.

De acordo com a Física moderna, o próton é formado de 2 quarks up, de carga 1 2

3 e, e 1 quark down, de carga e dá a carga do próton, que somada à carga do elétron, 2e, dá zero.

Há outras propriedades das cargas elétricas que serão abordadas ao longo do nosso estudo. Vamos nos restringir inicialmente àquelas que nos permitem entender alguns fenômenos elementares, como os processos de eletrização.

positiva e negativa, ou carga e anticarga

De início, em meados do século XVIII, as palavras positivo e negativo atribuídas à eletricidade estavam relacionadas ao superavit ou deficit de um hipotético fluido elétrico que estaria contido num corpo.

Essa hipótese foi descartada, mas a denominação foi mantida no modelo atômico e adquiriu conotação algébrica porque se tornou conveniente — a soma algébrica das cargas do elétron, 2e, e do próton, 1e, é nula, o que está de acordo com a neutralidade elétrica do átomo.

No entanto, é importante notar que são apenas nomes, palavras que indicam oposição mútua.

Poderiam chamar-se preta e branca, quente e fria, esquerda e direita ou carga e anticarga, talvez a denominação mais adequada do ponto de vista da Física moderna.

16 unidade 1 – eletrostÁtica

Veja a representação esquemática desse processo. Os elétrons do corpo A passam para o corpo B. O corpo A torna-se eletricamente positivo, enquanto o corpo B torna-se eletricamente negativo.

Os físicos ainda não sabem exatamente qual é a natureza do atrito, por isso ainda não se sabe também com clareza qual o papel que ele desempenha no processo de eletrização, mas não há dúvida de que a proximidade entre as superfícies em contato é o fator determinante.

atritar ou esfregar?

Atritar e esfregar podem ser entendidos como sinônimos — dois corpos podem ser eletrizados atritando-se ou esfregando-se um contra o outro. No entanto, a palavra que melhor expressa o fenômeno da eletrização é esfregar. Segundo o Dicionário eletrônico Houaiss, esfregar é “roçar seguidamente um corpo sobre (ou em) outro”, ideia mais adequada à eletrização do que atritar ou friccionar.

Atritar ou friccionar são ações que nos levam a supor que é o movimento que gera a eletrização e, por consequência, que quanto mais se atrita um corpo mais eletrizado ele fica, o que, além de não ser correto, leva a equivocadas relações entre aquecimento e eletrização. Na eletrização, o que importa é o melhor contato obtido na esfregação, não a energia gasta pela fricção, ideia falsa que aparece quando falamos em atrito. Mas feita esta ressalva, vamos manter neste livro a expressão habi tual — eletrização por atrito —, embora, do ponto de vista conceitual, fosse melhor eletrização por esfregação.

Eletrização por contato

De acordo com a Física moderna, os átomos e as moléculas que constituem os materiais têm estruturas diferentes que lhes dão diferentes propriedades. Uma dessas diferenças é a força de atração que exercem sobre os elétrons que se localizam nas camadas mais distantes dos núcleos.

Assim, quando dois corpos de materiais diferentes, eletricamente neutros, são postos em contato muito próximo (fortemente pressionados um contra o outro), as suas camadas eletrônicas superficiais ficam também muito próximas. Por isso os elétrons de um corpo podem migrar para o outro. Embora seja impossível saber o que de fato acontece nesse nível microscópico, a figura a seguir ilustra esquematicamente essa situação.

núcleo núcleo nuvens eletrônicas

Dessa forma, é possível eletrizar dois corpos simultaneamente colocando-os em contato muito pró ximo. O corpo que adquire elétrons torna-se eletricamente negativo; o que perde elétrons torna-se eletricamen- te positivo. A forma mais eficiente de estabelecer ou provocar esse contato é esfregar um corpo contra o outro. Daí essa forma de eletrização ser chamada de eletrização por atrito.

A característica da eletrização por atrito é a obtenção de dois corpos com cargas elétricas opostas a partir de dois corpos inicialmente neutros.

capítulo 1 – introdução à eletricidade 17

2a) Se um dos corpos em contato estiver eletricamente carregado, a passagem de elétrons desse corpo para outro, eletricamente neutro, pode ocorrer espontaneamente. Se o primeiro estiver carregado negativamente, parte de seus elétrons em excesso tende a ser repelida para o segundo; se estiver carregado positivamente, ele tende a atrair elétrons do outro. Por isso, em geral, basta o contato para que haja a transferência de elétrons. É a esse processo de eletrização que se costuma chamar de eletrização por contato. Nele, parte da carga elétrica do corpo eletrizado tende a passar para o corpo neutro e ambos adquirem cargas elétricas de mesmo tipo. Veja a representação esquemática a seguir. Na figura 1, quando um corpo A, eletrizado positivamente, é posto em contato com um corpo B, neutro, ele tende a atrair elétrons de B, que, perdendo elétrons, também se torna eletricamente positivo. Na figura 2, o corpo A, eletricamente negativo, tende a perder elétrons para o corpo B, neutro, com o qual é posto em contato —

B torna-se também eletricamente negativo.

Figura 1

Figura 2

A natureza elétrica dos corpos em contato influi na eletrização: o contato entre corpos condutores é mais eficiente do que entre corpos isolantes, porque a pas- sagem de elétrons entre eles é mais fácil.

Há ainda duas observações a fazer em relação a esse processo de eletrização: 1a) Nem todo par de materiais atritados se eletriza.

É preciso que eles tenham diferentes tendências para reter ou ceder elétrons . Não é possível eletrizar corpos de materiais condutores segurando-os com a mão. Como nosso corpo também é condutor, os elétrons que esses condutores trocam por causa do atrito são escoados para o nosso corpo ou pelo nosso corpo para a Terra. A tabela abaixo apresenta a série triboelétrica, relação de materiais que coloca, em sequência, aqueles que têm maior capacidade de ceder ou receber elétrons. Assim, do meio para cima, em vermelho, estão os materiais que têm tendência crescente em ceder elétrons, começando no papel até chegar à pele humana. Do meio para baixo, em azul, estão os materiais que têm tendência crescente em receber (ou reter) elétrons, começando na madeira até chegar à ebonite; o aço, como o algodão, é eletricamente inerte. O desnível entre as linhas indica uma eletrização por atrito possivelmente mais eficiente. Alguns metais, como o cobre, a prata e o latão, são bons “recebedores” de elétrons, mas, como também são excelentes condutores, dificilmente se eletrizam.

tendência para receber elétrons papel alumínio seda pele de gato chumbo náilon cabelo mica quartzo vidro pele de coelho couro materiais neutros algodão aço borracha de silicone ebonite vinil (PVC) isopor borracha sintética acetato, raiom ouro enxofre poliestireno acrílico âmbar madeira tendência para ceder elétrons pele humana plástico de balão de aniversário poliéster–

Série triboelétrica. Fonte: ‹w.answers.com/topic/triboelectricity>. Acesso em: 16 jan. 2013.

18 unidade 1 – eletrostÁtica Representação esquemática da eletrização por indução.

indutor induzido indutor induzido

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