Alunos Gabriel Oliveira, Gustavo Almeida, Jefferson Renê

Fundamentação Teórica

O processo de eletrização dos corpos é um processo o qual vem sendo estudado desde o princípio dos questionamentos e tentativas de explicação para este, nós podemos eletrizar facilmente dois corpos quando nós utilizamos o atrito para gerar tal energia com cargas positivas e negativas a estes corpos, mas o questionamento principal é quais as explicações para estes fatos?

Diversos cientistas desenvolveram hipóteses para tentar explicar estes acontecimentos, dentre eles está o famoso Benjamin Franklin este que fora um dos mais renomados e conhecidos cientistas dos Estados Unidos tentou explicar o porquê da ocorrência deste fenômeno da eletrização, e com isso desenvolveu uma teoria onde propunha que os fenômenos elétricos existiam em função da ocorrência de um fluido elétrico, fluido este que se encontrava presente em todos os corpos, segundo Franklin, quando dois corpos eram atritados o que acontecia era a transferência de parte desse fluido de um corpo para o outro corpo, o que recebera tal fluido se encontrava eletrizado positivamente, e o que cedia ficava eletrizado com carga negativa, porém um corpo que não estava eletrizado era considerado um corpo em que o fluido elétrico existia em quantidades normais, por esta teoria, ele mostrou que não se poderia criar ou destruir cargas elétricas, somente fazer com que movesse eletricidade de um corpo para outro, ou seja, a quantidade total do fluido elétrico no termino do processo de passagem do mesmo entre dois corpos permanecia inalterada.

Presentemente a explicação da eletrização dos corpos é dada com a noção que hoje temos sobre a estrutura dos átomos, pois qualquer fenômeno elétrico que avistamos um pêndulo elétrico que oscila, por exemplo, as lâminas de um eletroscópio que divergem, um corpo que é atraído por outro, na verdade, a explicação pra todos estes, é conseqüência de fenômenos atômicos, dentre isto, devemos ressaltar os primeiros achados relacionados a fenômenos elétricos dos quais temos notícia, foram feitos pelos gregos na antiguidade, o filósofo e matemático Tales da cidade de Mileto o qual observou que um pedaço de âmbar depois de ser atritado com uma pele de um animal qualquer recebia a propriedade de puxar corpos leves, somente cerca de dois milênios após isto é que começou a ser executadas observações sistemáticas e cuidadosas sobre os fenômenos elétricos, um exemplo disto foi o cientista inglês W. Gilbert que sistematizou uma teoria onde observou que diversos corpos ao serem atritados, se comportavam como o âmbar e que a atração imposta por eles se manifestava sobre outro corpo, independentemente da massa do mesmo.

Ao atritarmos dois corpos de substâncias diferentes, inicialmente neutros, haverá a transferência de elétrons de um para o outro, de modo que um estará cedendo elétrons, ficando eletrizado positivamente, ao passo que o outro estará recebendo elétrons ficando eletrizado negativamente. A eletrização por atrito é mais intensa entre corpos isolantes do que entre condutores, pois nos isolantes as cargas elétricas em excesso permanecem na região atritada, ao passo que nos condutores, além de se espalharem por todo ele, há uma perda de carga para o ambiente. Finalizando – Sempre que atritamos dois corpos de substâncias

Alunos Gabriel Oliveira, Gustavo Almeida, Jefferson Renê

diferentes surgem, na região atritada, cargas elétricas de sinais opostos. – Tal fato é mais facilmente observável entre isolantes. – Na série triboelétrica, a substância que se lê primeiro eletriza-se positivamente.

Algumas vezes tomamos choque ao tocarmos a maçaneta da porta de um automóvel, ou um móvel de aço no qual não há nenhum tipo de instalação elétrica que pudesse justificá-lo. Esse fenômeno está relacionado com o processo de eletrização por contato. Consideremos uma esfera de metal eletrizada negativamente (esfera A) e outra esfera de metal eletricamente neutra (esfera B), como na figura abaixo. Como o condutor A está eletrizado negativamente, todos os seus pontos estão com o mesmo potencial elétrico negativo ao passo que o condutor B tem potencial elétrico nulo, pois está eletricamente neutro. Ao estabelecermos o contato entre ambos através de um fio condutor, haverá passagem de cargas elétricas (elétrons livres) num único sentido (corrente elétrica) pelo fio, pois uma de suas pontas estará com o potencial elétrico negativo de A e a outra com o potencial nulo, ou seja, haverá uma diferença de potencial elétrico (ddp) nos terminais do fio. Os elétrons irão, espontaneamente, do menor potencial elétrico (negativo) para o maior potencial elétrico (nulo), ou seja, do condutor A para o condutor B. A cada elétron que A perde, seu potencial elétrico aumenta. O condutor B, por sua vez, a cada elétron que ganha, tem seu potencial elétrico diminuído. Essa troca de elétrons continuará acontecendo enquanto houver diferença de potencial elétrico nos terminais do fio, isto é, enquanto os potenciais elétricos de A e B forem diferentes.

Quando os potenciais elétricos se igualarem, dizemos que se atingiu o equilíbrio eletrostático e o condutor B, que antes estava neutro, agora está eletrizado, cessando a troca de elétrons. Como os potenciais elétricos finais são iguais, os dois condutores terão cargas elétricas de mesmo sinal e se forem esféricos, essas cargas serão diretamente proporcionais aos respectivos raios. Caso os condutores tenham mesmas dimensões, suas cargas elétricas finais serão iguais. Importante – Como só há troca de cargas elétricas entre os dois condutores, tem um sistema eletricamente isolado e dessa forma podemos aplicar o princípio da conservação das cargas elétricas. Repetindo o processo com o condutor A eletrizado positivamente e B neutro. Os elétrons livres irão, espontaneamente, do menor potencial elétrico (potencial de B = nulo) para o maior potencial elétrico (potencial de A = positivo). Tudo se passa como se as cargas positivas tivessem migrado de A para B. Como o número de cargas positivas de “A” diminui seu potencial elétrico também e como B passa a ter cargas positivas em excesso, seu potencial elétrico aumentará até que ambos se igualem. Atingido o equilíbrio eletrostático, as cargas finais de A e B terão mesmo sinal, pois seus potenciais elétricos serão iguais.

Podemos dividir esse processo em duas fases, fase de indução eletrostática e a fase de eletrização, a primeira fase de indução eletrostática, se caracterizam pela separação de cargas positivas e negativas de um condutor provocadas por outro condutor nas proximidades. Para um condutor A, eletrizado positivamente, o potencial elétrico varia conforme o gráfico abaixo. Se colocarmos outro condutor B, inicialmente eletricamente neutro, entre os pontos X e Y, haverá movimento ordenado de cargas elétricas (corrente elétrica) no mesmo, pois entre dois de seus pontos há uma diferença de potencial (ddp). Essa corrente elétrica é formada somente

Alunos Gabriel Oliveira, Gustavo Almeida, Jefferson Renê

por elétrons livres que irão, em movimento espontâneo, do ponto Y de menor potencial elétrico para o ponto X de maior potencial elétrico. Com a chegada de elétrons livres à região X, o potencial elétrico do ponto X diminui. Já na região de Y, as cargas elétricas dos átomos, que ali permanecem e que perderam elétrons livres (cátions), elevam o potencial elétrico de Y. Esse fenômeno ocorre até que os novos potenciais elétricos V'x e V'y dos pontos X e Y se igualem, atingindo o equilíbrio eletrostático.

Como o condutor B não recebeu nem cedeu elétrons, ele continua eletricamente neutro, apesar de ter sofrido uma separação de cargas e estar, dessa forma, polarizado. O condutor A, que provoca a indução, é denominado indutor e o condutor B, que sofre indução, é denominado induzido. Na fase de eletrização ligamos, através de um fio condutor (fio terra), qualquer ponto do condutor B (induzido) à Terra e observamos que ocorrerá novamente movimento ordenado de elétrons livres, pois entre esse ponto do condutor B (VB 0) e a Terra (V = 0) haverá uma diferença de potencial elétrico (ddp), até que seja novamente atingido o equilíbrio eletrostático, ou seja, até que o potencial elétrico de B se iguale ao da Terra. Apesar de agora o condutor B ter ficado eletrizado negativamente, pois recebeu elétrons da Terra, não podemos afastar o condutor A ainda. Devido ao excesso de cargas negativas em B, se o fizéssemos, seu potencial elétrico ficaria negativo e todos os elétrons livres recebidos da Terra retornariam a ela até que o potencial de B se anulasse e, dessa forma, ele retornaria à situação inicial (eletricamente neutro). Desfazendo a ligação com a Terra ainda na presença do condutor A (indutor), e em seguida afastando-o, o condutor B (induzido) estará agora eletrizado negativamente. Ao final do processo, o induzido sempre se eletriza com carga de sinal contrário ao da carga do indutor.

O gerador de Van de Graaff é uma maquina que fora inventada pelo engenheiro americano Robert Jemison no começo do século XX, tal maquina foi empregada na física nuclear para produzir as tensões muito elevadas que eram necessárias nos aceleradores de partículas, algumas versões deste gerador são freqüentemente vistas em demonstrações sobre eletricidade, mas versões em menor escala deste, estas versões produzem o efeito de arrepiar os cabelos de quem tocar na cúpula, que é uma esfera a qual fica carregada eletricamente, este, deve estar isolado da terra porque o cabelo fica eletrizado com cargas da mesma polaridade, que conseqüentemente se repelem. O gerador básico com excitação por atrito é composto por uma correta de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga da energia, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio, os matérias mais utilizados para coluna são o acrílico ou o PVC, os roletes porem são materiais diferentes, ao menos um deles é isolante como o teflon e o alumínio, para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia.

Alunos Gabriel Oliveira, Gustavo Almeida, Jefferson Renê

Um material isolante tem seus elétrons fortemente ligados ao núcleo, mas mesmo assim, eles ainda podem ser liberados, para isso basta aplicar um campo elétrico com intensidade suficientemente forte para arrancá-los. A rigidez dielétrica, portanto, é essa maior intensidade do campo elétrico que é aplicada no material isolante para torná-lo condutor, ela varia de material para material.

O campo elétrico só existe, obviamente, quando há a presença de carga elétrica submetida a uma força elétrica. Ele representa a área de “atuação” da carga elétrica, da mesma forma que o campo gravitacional funciona com a massa de um planeta. O vetor do campo elétrico é dado por: E = F/q (sendo E e F vetores). A força F, à qual a carga q fica submetida será atrativa ou repulsiva, dependendo do sinal de q. Quando a carga é positiva o campo repele e quando a carga é negativa o campo atrai.

Na formação de nuvens de tempestade, uma grande quantidade de ar quente sobe enquanto o ar frio desce, nesta convecção, a água, o fator importante deste processo, se eletriza (ou carrega), positiva e negativamente. Os relâmpagos são as descargas entre as partes positivas e negativas das nuvens, enquanto que os raios são as descargas das partes negativas das nuvens, também as mais baixas, para a terra, mais positiva. Os trovões são barulhos produzidos pela expansão em alta velocidade do ar ocorrida pelo aquecimento que o raio ou relâmpago produz. Os campos elétricos ao se encontrarem e se atraírem dão passagem para os elétrons caminharem à procura de equilíbrio.

O Poder das Pontas é uma teoria criada no século XVIII e comprovada por Benjamim Franklin, que mostra que condutores ligados à Terra descarregam corpos eletrizados que estão próximos. O pára-raios foi uma proposta de Franklin de fazer o mesmo com as nuvens, para que não houvesse mais perigo de raios, se elas já fossem logo descarregadas antes que ocorressem.