Cap. 2.0. Eletrostática

Cap. 2.0. Eletrostática

23/07/2019

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  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!

  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, porém 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!

  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.

  Apenas para matar a curiosidade e aumentar ainda mais se 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 a você 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.m²/C²);

 > |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;

 

  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:

  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:

 

 

  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, e por isso cargas de polaridades opostas se atraem. Como assim?

  Posso exemplificar com o desenho abaixo:

   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. Analise a figura abaixo:

   Já na figura abaixo, é possível ver que cargas elétricas de mesma polaridade se repelem:

 

  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 pelo menos 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.

  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;

 

 > 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:

  Na imagem acima temos uma esfera "A", eletricamente neutro, 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 "A" é chamada de INDUTOR, justamente por induzir a esfera "B", 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:

  Os elétrons livre 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.

  Um bom exemplo 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 o transformando 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).

  Aliás, isto é o que está por trás do funcionamento do capacitor: a condensação de cargas elétricas de sinais opostos separadas por um dielétrico: a descarga acontece no momento em que o campo elétrico quebra a rigidez dielétrica do isolante. Enfim, veja tudo sobre o capacitor CLICANDO 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 acessar este artigo, CLIQUE AQUI!

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BIBLIOGRAFIA e CRÉDITOS

 

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Brasil Escola; SóFísica; TodaMatéria; UOL Educação; Mega Curioso; Wikipedia(Somente artigos com fontes verificadas).

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