Vamos estudar um pouco a eletrostática, área de fundamental importância para se conhecer a fundo o capacitor e a Elétrica / Eletrônica como um todo. Você vai precisar para entender o Capítulo "2.1" e a sequência sobre o funcionamento dos capacitores, bem como os artigos sobre condutores e isolantes (mais especificamente quando se tratam de borrachas e plásticos)!
A eletrostática é o ramo da Física que estuda as propriedades e comportamentos de cargas elétricas em repouso. No Capítulo 1, sobre Física do Movimento, vimos que as cargas são feitas pelo fluxo de elétrons no fio, entretanto, a energia flui em paralelo ao condutor, e ao contrário dos elétrons, se propaga na velocidade da luz. Enfim, para saber mais sobre este conteúdo, CLIQUE AQUI! e leia o tópico "Forças Fundamentais" do artigo "Capítulo 1 - Física do Movimento".
Para compreender este texto será necessário saber algumas outras coisas relacionadas, como por exemplo a rigidez dielétrica, a polarização dielétrica e a densidade de polarização, que podem ser vistos no artigo "Cap. 1.0. Eletricidade: Condutores e Isolantes - PARTE 1". Para acessar o texto basta CLICAR AQUI!
Num condutor, a distribuição de cargas elétricas em excesso torna o campo elétrico nulo, fazendo com que tal fenômeno leve o nome de "Blindagem eletrostática". Isso ocorre pois as cargas de mesmo sinal tendem a se afastar, se dispersar até atingirem o repouso. Isso pode ser exemplificado pelo experimento da Gaiola de Faraday. Mas o que é exatamente a carga elétrica?
Uma carga elétrica é composta de partículas elementares, partículas essas que constituem os átomos, ou seja, os elétrons (negativos), os prótons (positivos) e os nêutrons (nulos). A atração ocorre em cargas de sinais opostos e a repulsão ocorre com cargas de sinais iguais, enfim, você verá em detalhes se continuar lendo!
Os Prótons e Nêutrons tem massa praticamente igual, porém os elétrons são muuuuuito menos massudos!
Para ser mais exato, os Prótons tem massa aproximadamente 2 mil vez maior que a dos Elétrons.
CURIOSIDADE: Para aumentar ainda mais o envolvimento com o assunto, se tivesse como "desossar" um átomo e jogar seus Prótons, Elétrons e Nêutrons contra um ímã, os Nêutrons não sofreriam absolutamente nada, os Elétrons seriam desviados para uma direção e os Prótons para uma direção oposta a dos Elétrons.
Abaixo, alguns detalhes sobre cada tipo de carga:
→ No polo positivo, denominado Cátion, há falta de elétrons, tornando os átomos "Íons positivos".
→ No polo Negativo, denominado Ânion, há excesso de elétrons, tornando os átomos "Íons negativos".
Um Íon neutro é um átomo que possui a mesma quantidade de elétrons e de prótons. Lembrando que Íons são átomos eletricamente carregados, e as únicas partículas que podem ser "mexidas" no sistema são os Elétrons, já que os Nêutrons e Prótons estão fortemente ligados no núcleo atômico devido a Força Forte, uma das quatro forças fundamentais.
Para medir a carga elétrica, precisamos saber qual é a menor quantidade de carga encontrada na natureza, a Carga Elementar. A Carga Elementar, simbolizada pela letra "e" (em minúsculo), é a quantidade de carga presente num Elétron ou num Próton.
> Carga Elementar de um Elétron: -1,6 x 10^-19 Coulomb
> Carga Elementar de um Próton: +1,6 x 10^+19 Coulomb
Percebeu? A Carga Elementar de um Elétron é igual a Carga Elementar de um Próton, mudando apenas a polaridade!
A carga elétrica pode ser calculada pela seguinte fórmula matemática:
Onde:
> Q : Carga elétrica, medida em Coulomb;
> n : Número de Elétrons;
> e : Carga Elementar.
Por definição, 1 Coulomb é a carga elétrica transportada em 1 segundo por uma corrente elétrica de 1 Ampere.
É a força de interação através da atração e repulsão entre duas cargas elétricas em repouso. Pode ser dada pela Lei de Coulomb, a seguinte fórmula matemática:
Onde:
> |F|: Força eletrostática, medida em Newtons (N);
> k: Constante eletrostática, medida em Newton metro ao quadrado por Coulomb ao quadrado (N.m³/C³);
> |q1| e |q2|: Cargas elétricas em questão, medidas em Coulomb (C);
> r²: Distância entre as cargas, medido em metros (M).
-> Quando |q1| . |q2| tem como resultado um valor maior que 0 (Zero) então temos forças de repulsão;
-> Quando |q1| . |q2| tem como resultado um valor menor que 0 (Zero) então temos forças de atração;
Imagem 1
CURIOSIDADE: A fórmula matemática exibida acima é muito semelhante com a fórmula da Lei da Gravitação Universal!
Substituem-se as cargas por massa e a Constante de Coulomb pela Constante Gravitacional.
A Força que existe entre duas cargas |q1| e |q2| é proporcional ao produto (em modulo) e inversamente proporcional ao quadrado da distância "r" entre elas.
No gráfico abaixo podemos notar que, quanto maior for a distância entre duas cargas, menor será a força entre elas:
Gráfico 1
A constante eletrostática, também chamada de Constante de Coulomb influencia no valor da força e é influenciada pelo meio onde as cargas estão. Veja abaixo o valor da Constante de Coulomb para alguns materiais:
Tabela 1
O valor mais usual para a constante eletrostática (k) é o vácuo.
Também chamada de Energia Potencial Elétrica, é o resultado proveniente do excesso de cargas em atrito. Ela pode ser calculada pela fórmula matemática a seguir:
Onde:
> Ep: Energia potencial, medido em Joule (J);
> k: Constante eletrostática;
> Q: Carga Fonte, medido em Coulomb (C);
> q: Carga de prova ou teste, medido em Coulomb (C);
> d: Distância entre cargas, medido em metros (M).
É o local de concentração de cargas elétricas!
Um campo elétrico PONTUAL em um determinado material pode ser calculado pela seguinte fórmula:
Onde:
> E: Campo Elétrico, medido em Newtons por Coulomb (N/C) ou Volts por metro (V/m);
> k: Constante eletrostática do material;
> Q: Carga elétrica geradora do campo elétrico, medida em Coulomb (C);
> d²: Distancia do PONTO até a carga geradora do campo elétrico.
-> O Campo Elétrico gerado pelas cargas positivas aponta para fora das cargas;
-> Já um Campo Elétrico Negativo gerado pelas cargas negativas aponta para dentro das cargas.
Por isso cargas de polaridades opostas se atraem. Como assim?
Observe o desenho abaixo:
Imagem 2
Nas cargas positivas, o Campo Elétrico aponta para fora e nas cargas negativas o Campo Elétrico aponta para dentro, fazendo com que duas cargas se atraírem ou se repelirem através de linhas de campo. Isso tem a ver com a polarização do material onde foi aplicado o campo elétrico. Analise a figura abaixo:
Imagem 3
Já na figura abaixo, é possível ver que cargas elétricas de mesma polaridade se repelem:
Imagem 4
A RELAÇÃO entre Campo Elétrico e Força Elétrica é dada pela seguinte fórmula matemática:
Onde:
> E: Campo elétrico, medido em Newtons por Coulomb (N/C) ou Volts por metro (V/m);
> F: Força elétrica, medida em Newtons (N);
> |q|: Carga elétrica, medida em Coulomb (C).
Quando um corpo apresenta a mesma quantidade de Elétrons e de Prótons, ele está Neutro. Porém, se ele estiver com quantidades de carga positiva e negativa diferentes, então ele está Eletrizado!
Existem três tipos de Eletrização, que veremos detalhadamente abaixo:
Eletrização por Contato
Envolve no mínimo dois condutores, sendo que pelo menos um deles deve estar eletricamente carregado.
Um exemplo bem simples é: pegar um condutor carregado negativamente e encostar em outro condutor neutro. Temos a partir daí a distribuição uniforme das cargas entre os dois condutores através dos elétrons livres, e ao final temos dois condutores com cargas negativas.
Se tentarmos eletrizar um material isolante, vamos ter dificuldades devido a sua rigidez dielétrica e escassez ou inexistência de elétrons livres. Neste caso, para eletrizar um isolante, precisaríamos recorrer à uma descarga elétrica, que pode "descarregar" corpos eletrizados ou eletrizar um corpo inicialmente neutro;
Eletrização por Atrito
Fazendo fricção entre dois corpos (atrito), fazemos com que elétrons se soltem de um dos corpos e "pulem" para o outro. Para fazer isso também precisamos ver a afinidade entre os materiais que constituem cada corpo através de uma consulta à Série Triboelétrica.
Tabela 2
Nela podemos ver quem é que recebe e quem é que perde elétrons, ou seja, quem fica carregado negativamente e quem fica carregado positivamente após o processo de fricção.
Lembrando que o atrito também gera energia térmica!
CURIOSIDADE: Um bom exemplo de eletrização por atrito é a quinta-roda de um caminhão-trator esfregando-se sobre a mesa do semi-reboque. Mesmo havendo graxa lubrificante ou um disco de PE-UHMW o atrito não é nulo, sendo muitas vezes instalada uma cordoalha ou cabo de Cobre (ou Cobre Estanhado para atenuar oxidação e formação de Zinabre) para fazer uma ligação com menor resistência elétrica entre o acoplamento e o chassi do veículo, evitando-se possíveis faíscas, bem como melhorando o equipotencial elétrico entre chassi do rebocador e chassi do trailer. Veja a imagem abaixo:
Imagem 5 - O atrito gera energia térmica e elétrica num acoplamento entre caminhão-trator e semi-reboque
A quinta-roda é feita de ferro ou aço-fundido com uma concentração de grafite (um lubrificante sólido) para assim se reduzir um pouco do atrito. E mesmo as sapatas da quinta-roda sendo feitas de material semelhante, em muitos casos, há um elemento elástico (bucha de borracha) separando as duas estruturas metálicas, formando uma articulação, então há a necessidade de um caminho de menor resistência elétrica entre acoplamento e chassi, que no caso é feito por uma cordoalha ou um simples cabo de Cobre.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o plástico PE-UHMW, bem como o elemento elástico implementado em muitas quintas-roda, além de vários outros materiais poliméricos, comece CLICANDO AQUI!
Ainda sobre caminhões, quando se tratam de veículos que transportam cargas perigosas inflamáveis a granel, eles devem obrigatóriamente portar terminais de aterramento, que visam facilitar a interface de contato elétrico da estrutura do semi-reboque com o solo através de cabos para drenar a energia estática acumulada, principalmente proveniente do atrito do veículo com o ar durante a rodagem, além do atrito em mecânismos de abertura e fechamento de tampas, válvulas de controle de pressão e vazão e da própria movimentação de líquido transportado.
Imagem 6 - Terminais elétricos na estrutura do veículo para a conexão dos cabos
Os terminais mostrados na imagem acima são feitos de pequenas hastes de liga de Aço ou liga de Alumínio soldadas na caixa de carga (tanque) ou no chassi. Na ponta destas hastes é prensado um terminal de Latão, Bronze ou liga de Alumínio, onde a garra do cabo de aterramento da base de carregamento / descarregamento é encaixada.
CURIOSIDADE: Caso existam cargas eletrostáticas no semi-reboque e elas não sejam drenadas antes do carregamento ou descarregamento do tanque, um terminal negativo denominado Ground Bolt, instalado em algum ponto do chassi permite que a base detecte a energia eletrostática acumulada e o bombeamento de produto químico líquido para o tanque (bottom loading) é impedido.
Diagrama 1 - Ligação do Grond Bolt e dos sensores anti-transbordamento na interface do semi-reboque com a base de carregamento/descarregamento
Observe o Ground Bolt afixado na longarina do chassi, ao lado do soquete overfill (interface com a base):
Imagem 7 - Sistema de segurança que detecta a presença de cargas eletrostáticas no veículo
Talvez este seja um dos melhores exemplos de como a eletrização por atrito pode representar um perigo de vida. Caso queira saber mais sobre dissipação de energia estática em alguns tipos de materiais, CLIQUE AQUI! e leia o "Cap. 1.0b. Eletricidade: Condutores e Isolantes - PARTE 2".
Eletrização por Indução
É a separação de cargas elétricas no corpo "A" (que está eletricamente neutro) quando o corpo "B" (que está eletricamente carregado) é colocado próximo. Veja na imagem abaixo:
Imagem 8
Na imagem acima temos uma esfera "A" eletricamente neutra, polarizando suas cargas quando a barra "B", eletricamente carregada com cargas positivas, é colocada ao seu lado.
Repare que ambos os corpos estão isoladas do chão. A barra "B" é chamada de INDUTOR, justamente por induzir a esfera "A", que é chamada de INDUZIDO, pois está sendo induzida a separar suas cargas.
Após polarizar a esfera, ela ainda continua eletricamente neutra, apenas separamos as cargas positivas das negativas. Agora, para eletriza-la devemos manter o INDUTOR próximo da esfera e ligá-la ao chão através de um condutor, como podemos ver na imagem abaixo:
Imagem 9
Os elétrons livres vindos da Terra serão conduzidos até o INDUZIDO, que se carregará de cargas negativas. Ao fim, tiramos o INDUTOR e o fio Terra e teremos uma esfera carregada negativamente.
Imagem 10
Um exemplo simples de eletrização por indução é a ocorrência de raios. Quando uma nuvem está eletrizada ela induz cargas de sinais contrários na superfície terrestre. O campo elétrico criado pela concentração de cargas negativas na nuvem e a concentração de cargas positivas na superfície da Terra pode ficar gigantesco, quebrando a rigidez dielétrica do ar e transformando-o num grande condutor na área onde se concentra o campo elétrico.
Quando o ar é ionizado e se torna condutor, há o transporte de cargas até o polo positivo, todavia, os elétrons fluem em velocidade muito lenta, no entanto, é o suficiente para que a energia se desloque na velocidade da luz, fazendo a famosa "descarga elétrica" e emitindo luz visível (proveniente do salto quântico dos elétrons nos átomos que compõem o ar, devido magnitude do campo elétrico) juntamente com estrondos audíveis (que são gerados pela dilatação e contração da massa de ar, efeito que é provocado pelas altas temperaturas no momento da descarga).
CURIOSIDADE: Isto é o que está por trás do funcionamento do capacitor: a condensação de cargas elétricas de sinais opostos separadas por um dielétrico: uma descarga muito forte e 'destruidora' acontece no momento em que o campo elétrico quebra a rigidez dielétrica do isolante. Enfim, veja tudo sobre o capacitor CLICANDO AQUI!
Para uma lâmpada de descarga ou uma TV de Plasma funcionar, o mesmo ocorre: ionização de gases através da eletrização por indução! Para saber mais sobre as lâmpadas de descarga, comece CLICANDO AQUI!
Se quiser saber mais sobre as TVs de Plasma, CLIQUE AQUI!
Um exemplo mais complexo de eletrização por indução é um microfone de Eletreto, também conhecido como "microfone condensador", pois possui as mesmas propriedades de funcionamento de um capacitor!
Um material 'definitivamente carregado', isto é, com seus dipolos organizados de forma permanente compõe o eletrodo (eletreto), que opera como indutor, induzindo cargas positivas num eletrodo fixo (backplate). Ambos eletrodos são separados apenas por ar, que faz o papel de dielétrico. As ondas sonoras que incidem no eletreto fazem-no vibrar, alterando continuamente a distância entre o backplate, consequentemente modificando a capacitância e a corrente de saída, que se equivalente à onda sonora, "transcrevendo" assim o som em sinal elétrico. Observe abaixo o diagrama de um simples microfone de eletreto:
Diagrama 2 - Microfone de Eletreto por dentro
Para saber mais sobre o funcionamento de microfones condensadores, CLIQUE AQUI!
Neste artigo, vimos uma introdução que ajudará muito a entender o funcionamento de um capacitor.
Ainda temos muito caminho pela frente, mas bastante coisa já foi traçada, como por exemplo, a Eletrodinâmica, a área da Física que estuda os fenômenos e características das cargas elétricas em movimento. Para entender este conteúdo, CLIQUE AQUI e comece lendo o artigo sobre condutores e isolantes.
Para dar dicas, sugestões ou fazer reclamações e informar erros basta mandar um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com
BIBLIOGRAFIA e CRÉDITOS
Texto e imagens: Leonardo Ritter
Fontes: Brasil Escola; SóFísica; TodaMatéria; UOL Educação; Mega Curioso; Wikipedia(Somente artigos com fontes verificadas).
Última atualização: 25 de Outubro de 2023.