Eletricidade

COTUCA - Colégio Técnico de Campinas - UNICAMP ELETRICIDADE BÁSICA

NOTAS DE AULA 01 – CORRENTE E TENSÃO – www.corradi.junior.nom.br [Prof. Corradi] 1

ELETRICIDADE BÁSICA Prof. Corradi

CORRENTE E TENSÃO

OS ÁTOMOS E SUA ESTRUTURA

O átomo mais simples é o de hidrogênio, constituído por duas partículas

fundamentais, o próton e o elétron, nas posições relativas mostradas na Figura 1(a). O

núcleo do átomo de hidrogênio é o próton, uma partícula de carga positiva. O elétron

em órbita tem carga elétrica negativa, igual em módulo à carga positiva do próton. No

caso dos átomos de todos os outros elementos, o núcleo contém também nêutrons, que

têm massa ligeiramente maior que a dos prótons e não possuem carga elétrica. O átomo

de hélio, por exemplo, tem dois nêutrons, além de dois elétrons e dois prótons, Figura

1(b). Em todos os átomos neutros, o número de elétrons é igual ao número de prótons.

Figura 1 – Estrutura atômica de quatro elementos comuns.

A massa do elétron é 9,11 × 10-28 gramas. A massa do próton e do nêutron são

aproximadamente iguais e valem 1,672 × 10-24 gramas. Os raios das partículas próton,

nêutron e elétron são todos da ordem de 2 × 10-15 metros. O número de prótons dentro

do núcleo determina o número atômico de qualquer átomo. Os elétrons situados na

camada mais externa são chamados de elétrons de valência.

No átomo de hidrogênio, o raio da menor órbita percorrida por um elétron é

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cerca de 5 × 10-11 metros. Isto equivale, aproximadamente, a uma moeda de um centavo

em trajetória circular em torno de outra, sendo o raio da órbita algo em torno de 400 m.

Os átomos dos outros elementos possuem vários elétrons distribuídos em

camadas concêntricas em torno do núcleo. Como exemplo na Figura 1(c) tem-se o

átomo de silício e na Figura 1 (d) o átomo de cobre. A primeira camada, que é a mais

próxima do núcleo, pode conter apenas dois elétrons. Se um átomo tiver três elétrons, o

terceiro terá que ocupar a segunda camada. Esta pode conter um máximo de 8 elétrons;

a terceira, 18; a quarta, 32, conforme determinado pela equação 2n2, em que n é o

número da camada. Estas camadas são designadas por um número (n =1, 2 3...) ou por

uma letra (n = k, l, m...). Cada camada é então dividida em subcamadas, exceto a

primeira. A primeira subcamada pode conter um máximo de dois elétrons; a segunda,

seis; a terceira 10 e a quarta, 14 elétrons, como na Figura 2. As subcamadas são

habitualmente designadas pelas letras s, p, d e f, nessa ordem, à medida que se afastam

do núcleo.

Figura 2 – Representação das camadas e subcamadas (níveis e subníveis) da estrutura atômica.

Foi determinado experimentalmente que cargas de sinais contrários se atraem e

que cargas de mesmo sinal se repelem. A força de atração ou repulsão entre dois corpos

carregados com cargas Q1e Q2 pode ser determinada pela lei de Coulomb.

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1 2

r

Força (atração ou repulsão) k Q Q

 



Onde F é dado em newtons, k é

constante e vale 9,0 × 109 N.m2/C2, Q1 e Q2

são os valores das cargas em coulombs e r é

a distância, em metros, entre as duas cargas.

No interior do átomo há uma repulsão entre elétrons e uma atração de prótons.

Visto que o núcleo só contém cargas positivas, existe uma forte força de atração que

atua nos elétrons das órbitas mais próximas do núcleo. À medida que cresce a distância

entre o núcleo e os elétrons em órbita, a força de ligação diminui, atingindo seu valor

mais baixo para a subcamada mais externa. Por causa desta força de ligação mais fraca,

menos energia é necessária para remover um elétron de uma subcamada mais externa

do que a remoção de um elétron de uma subcamada mais interna. Também em geral os

elétrons são mais facilmente removíveis em átomos cujas camadas mais externas

estejam incompletas e, além disso, possuam, nessas camadas, poucos elétrons. Estas

propriedades dos átomos que permitem a remoção dos elétrons sob certas condições são

essenciais para estabelecer um movimento de cargas.

O cobre é o metal mais utilizado no transporte de eletricidade. Ele possui um

elétron a mais além do necessário para completar as três primeiras camadas, Figura

1(d). Essa camada exterior incompleta possui apenas um elétron, e sua distância até o

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núcleo sugere que ele está fracamente ligado ao restante do átomo de cobre. Se esse

elétron (elétron de valência) receber energia suficiente do meio externo para se libertar