Eletricidade: Princípios básicos

Aula 1: Eletrização e Lei de Coulomb. Potencial elétrico. Corrente e resistência elétrica

Antes de discutir os pormenores da eletricidade, convém ressaltar a importância dos estudos sobre o átomo e sua estrutura. Até Dalton, não se pensava na natureza elétrica da matéria, portanto o elétron, subpartícula atômica de fundamental importância aos estudos da eletricidade, ainda não tinha sido descoberto, ou teorizado. Com Thomson, através dos estudos com raios catódicos e posterior aplicação de um campo elétrico, observou-se que esses raios tinham sua trajetória desviada, aproximando-se da placa carregada positivamente. Concluiu-se que a matéria possuía carga. À carga negativa, o termo elétron foi atribuído.

A teoria atômica e a natureza elétrica da matéria

Com os estudos posteriores sobre a estrutura do átomo, descobriu-se a existência de duas outras partículas subatômicas: o nêutron e o próton.

A partir desse conhecimento e com o crescente interesse pelo estudo da Eletricidade, observou-se uma perfeita simetria de carga entre as partículas, embora o mesmo fenômeno não se observe entre as suas massas:

Partícula Massa relativa Carga relativa Local

Próton 1.836 +1 Núcleo

Nêutron 1.836 0 Núcleo

Elétron 1 -1 Eletrosfera

Diante do quadro exposto, os cientistas calcularam a menos carga elétrica mensurável, denominada carga elétrica elementar (e). O experimento que possibilitou o cálculo da carga elétrica elementar foi realizado por Millikan, que utilizou uma câmara onde injetava gotas de óleo. O valor por ele determinado foi:

e = 1,6 . 10-19 C

Com o estudo da estrutura atômica foi possível concluir que os processos de troca de carga acontecem somente envolvendo os elétrons, já que são externos ao átomo. Prótons e nêutrons, por estarem no interior do núcleo, não participam desse processo. Sendo assim, pode-se definir o que é um corpo neutro, um corpo positivamente carregado e um corpo negativamente carregado.

Diz-se um corpo neutro aquele em que o número de cargas positivas (prótons) é igual ao número de cargas negativas (elétrons). Para um corpo positivamente carregado, diz-se que esse apresenta um número de prótons maior do que o número de elétrons; de um corpo negativamente carregado, diz-se que seu número de elétrons é maior do que o seu número de prótons.

Eletrização

O processo de eletrização de um corpo envolve o acréscimo ou a retirada de elétrons dos átomos que o constituem. Havendo o acréscimo de elétrons, há o aparecimento de cargas negativas no material assim eletrizado; se é observado o surgimento de cargas positivas, diz-se que o material perdeu elétrons.

Há diversas maneiras de eletrizar um material como, por exemplo, a eletrização por atrito, por contato e por indução.

Eletrização por atrito

Ocorre quando dois materiais são friccionados um contra o outro. Em um deles observa-se o surgimento de cargas positivas – é o material que cedeu elétrons; no outro, há o surgimento de cargas negativas – é o material que recebeu elétrons.

É um processo excelente para se eletrizar materiais que são isolantes limitando, assim, o surgimento de cargas ao espaço onde ocorreu o atrito entre os materiais.

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Eletrização por contato

É indicado à eletrização de materiais classificados como condutores. Sendo assim, consideram-se duas esferas condutoras, sendo esta sua situação inicial:

Ao serem colocadas em contato, haverá um fluxo de elétrons da esfera eletricamente carregada para a esfera neutra, até que o equilíbrio eletrostático seja alcançado, sendo alcançado observando uma proporção entre quantidade de cargas e os raios da esfera.

Se a relação entre os raios das esferas for de 2 para 1, tem-se esta situação no equilíbrio:

Percebe-se, ao analisar a figura anterior que, por possuírem mobilidade pelo condutor, e também por serem de mesmo sinal, as cargas tendem a se afastar ao máximo, ocupando as extremidades dos condutores.

Separando-se as esferas condutoras, cada condutor manterá a carga adquirida durante o processo de eletrização:

Eletrização por indução

O processo de eletrização por indução não envolve o contato entre materiais.

Consideremos, como situação inicial, um condutor neutro, ou seja, um material cujo número de prótons é igual ao número de elétrons. Deste, é aproximado um bastão positivamente carregado:

Percebe-se como consequência imediata dessa aproximação o fluxo de elétrons livres da esfera para a extremidade mais próxima do bastão positivo. Esse fenômeno acontece porque há uma força que atrai cargas de sinais contrários. Outra consequência pode ser citada, o acúmulo de cargas positivas na extremidade esquerda da esfera.

Nota-se, ainda, a existência de uma força de atração entre esfera e bastão, já que suas extremidades possuem cargas de sinais opostos.

Após o observado, é necessário aterrar, na presença do material indutor, o material que foi induzido, ou seja, aquele que sofreu o processo de indução. No caso, trata-se da esfera:

Depois que a carga positiva do induzido é neutralizada com elétrons oriundos da Terra, retira-se o fio-Terra na presença do indutor, a fim de impedir que o excesso de cargas negativas no induzido migre de volta para a Terra.

Por último, desfaz-se o contato entre indutor e induzido.

Nota-se, ao final de todo o processo, que indutor e induzido possuem cargas diferentes. Então, cabe esta conclusão: quando um corpo for eletrizado por indução, esse sempre apresentará carga diferente da do indutor: