A Física Eletricidade e Magnetismo

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C A P Í T U L O        2 2

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Eletricidade e Magnetismo

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1. Eletricidade
2. Cargas elétricas        3
3. Conservação da carga
4. Lei de Coulomb
5. Condutores e isolantes
6. Eletrização
7. Polarização da carga
8. Campo elétrico
9. Potencial elétrico        4

 1 Jim Stith, antigo presidente da American Association of Physics Teachers (Associação Americana de Professores de Física), demonstra o funcionamento de um gerador de Whimshurst, que produz relâmpagos em miniatura.   2 A natureza produz relâmpagos maiores e mais energéticos.   3 Na Bilkent Erzurum Laboratory School, na Turquia, o professor de física Z. Tugba Kahyaoglu coloca folhas de papel-

-alumínio no topo de um gerador Van de Graaff.   4 Seus estudantes se assustam quando pedaços de papel-alumínio voam para todos os lados devido à repulsão eletrostática.

razoável dizer que, se Benjamim Franklin não tivesse nascido, o nascimento da Revolução Norte-America- na teria acontecido de forma diferente. Afirmamos[pic 7]

isso porque Franklin, além de suas contribuições para a De-

claração da Independência, influenciou a França a posi- cionar seus navios próximos à costa norte-americana para impedir os britânicos de re- forçarem o General Corn- wallis, derrotado por George Washington em uma batalha definitiva da guerra. A in- fluência de Franklin na Eu- ropa tinha por base o respei- to que ele adquirira como principal diplomata e cien- tista da América. Sempre que estava na França, ele observa- va as multidões se formando.

Franklin era um homem de muitos talentos. Suas rea- lizações como tipógrafo, editor, cantor de baladas, inventor, filósofo, político, soldado, bombeiro, embaixador, cartunista e agitador da causa antiescravagista são parte de seu legado ao serviço público. Uma parte muito importante desse lega- do tem a ver com suas realizações científicas.

Embora seja popularmente lembrado por sua inven- ção do para-raios, Franklin também inventou uma gaita de vidro, o aquecedor de Franklin, os óculos com duas lentes e o cateter urinário flexível. Ele jamais patenteou suas in- venções, afirmando em sua biografia que “quando tiramos vantagens com as grandes invenções dos outros, deveríamos ser gratos por uma oportunidade de servir aos outros por meio de qualquer invenção nossa; e isso deveríamos fazer li- vre e generosamente”. Ele é especialmente lembrado por suas pesquisas sobre a eletricidade.

Em uma época em que a eletricidade era concebida como dois tipos de fluido, chamados de viscoso e resino-

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so, Franklin propôs que uma corrente elétrica fosse feita de um único fluido elétrico sob diferentes pressões. Ele foi o primeiro a denominar essas pressões de positiva e negativa, respectivamente, e o primeiro a descobrir o princípio de conservação da carga. O relato de seu para-raios começou com uma publicação de 1750. Ele propôs um experimento para provar que o relâmpago é eletricidade: empinar uma pipa durante uma tempestade, no estágio um pouco antes de ela se tornar uma tempestade de relâmpagos. A lenda conta que, com a pipa, ele conseguiu extrair faíscas de uma nuvem. O que ele não fez foi empinar sua pipa no meio de uma tem- pestade de relâmpagos, no que outros, infelizmente, tiveram sucesso e morreram eletrocutados. Em vez disso, a carga elé- trica coletada pela linha da pipa de Franklin provou-lhe que o relâmpago é eletricidade.

O para-raios derivou de seus experimentos que mos- travam que pedaços de metal com extremidades pontiagudas podiam coletar ou descarregar eletricidade silenciosamente, impedindo o acúmulo de carga em prédios devido a nuvens acima delas. No telhado da casa onde morava, Franklin ins- talou hastes de ferro, de extremidades pontiagudas, com um fio condutor ligando a base das hastes ao solo. Sua hipótese era de que as hastes drenariam o “fogo elétrico” silenciosa- mente das nuvens antes que elas produzissem um raio. Sa- tisfeito com o fato de ter impedido os raios, ele promoveu a instalação de para-raios sobre o prédio da Academy of Philadelphia (mais tarde, University of Pennsylvania) e da Pennsylvania State House (mais tarde, Independency Hall), em 1752.

Em reconhecimento às suas realizações com a eletrici- dade, Franklin recebeu a Medalha Copley da Royal Society britânica em 1753, e, em 1756, ele tornou-se um dos pou- cos americanos a ser eleito como membro da Royal Society. Com tal reputação, ele estava em posição de influenciar o destino da Guerra de Independência norte-americana que estava se aproximando. Benjamim Franklin verdadeiramente remodelou o mundo.

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 22.1 Eletricidade[pic 10][pic 11][pic 12]

Eletricidade é o nome dado a um amplo conjunto de fenômenos que de uma forma ou outra estão subjacentes a quase tudo que nos cerca. Desde um relâmpago no céu até o acender de uma lâmpada, desde o que mantém os átomos juntos, formando moléculas. O controle da eletricidade é evidente nos diversos aparelhos elétricos, desde lâmpadas até computadores. Neste capítulo, investigaremos a eletricidade em repouso, eletricidade estática ou, simplesmente, eletrostática.

A eletrostática envolve cargas elétricas, as forças que existem entre elas, a “aura” que as rodeia e seus comportamentos nos materiais. No Capítulo 23, investigaremos o movimento das cargas elétricas, ou corrente elétrica. Também estudaremos as volta- gens que produzem as correntes e como elas podem ser controladas. No Capítulo 24, aprenderemos sobre a relação das correntes elétricas com o magnetismo, e no Capítulo 25, sobre como o magnetismo e a eletricidade podem ser controlados para operar dispositivos elétricos e como a eletricidade e o magnetismo se ligam para tornar-se luz.

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SCREENCAST: Electricity

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A compreensão da eletricidade requer uma abordagem em estágios, onde cada conceito é o alicerce para o próximo. Assim, por favor, tenha um cuidado especial no es- tudo desse assunto. Ele pode ser difícil, confuso e frustrante se você for impaciente. Mas com esforço e dedicação, ele pode tornar-se compreensível e recompensador. Avante!

Forças elétricas

O que aconteceria se existisse uma força universal, como a gravidade, que varia in- versamente com o quadrado da distância, mas fosse bilhões de bilhões de vezes mais forte do que esta? Se tal força existisse e se ela fosse atrativa como a gravidade, o uni- verso seria comprimido em uma bola apertada, com toda a matéria existente estan- do agrupada tão junto quanto possível. Mas suponha que essa força fosse repulsiva, com cada pedacinho de matéria repelindo qualquer outro pedacinho. Como seria, então? O universo seria como uma nuvem gasosa em perpétua expansão. Suponha, entretanto, que o universo consistisse de dois tipos de partículas – positivas e nega- tivas, digamos. Suponha que as positivas repelissem as positivas, mas atraíssem as negativas, e que as negativas repelissem as negativas, mas atraíssem as positivas. Em outras palavras, tipos iguais de partículas se repeliriam, e tipos diferentes se atrai- riam (Figura 22.1). Suponha que existisse um mesmo número de partículas de cada tipo, de modo que essa força intensa estivesse perfeitamente equilibrada! Como se- ria, então, o universo? A resposta é muito simples: seria como este no qual vivemos. Pois essas partículas existem, e existe a tal força. Nós a chamamos de força elétrica.