Eletrotástica- Jamerson Araújo e Jarbas Filho

ELETROSTÁTICA

Fundamentação Teórica- Eletrostática

O que conhecemos hoje sobre a eletrização dos corpos, vem-se desenvolvendo teorias ao longo do tempo. Começando a busca pela teoria, os gregos, na Antiguidade, onde se realizaram experiências com o âmbar. Tales de Aristóteles (620-580 a.C.) chamou a atenção para o fato que o âmbar, após ser atritado com lã ou pele de animal adquire a propriedade de atrair objetos. Somente cerca de 2000 anos mais tarde é que começaram a ser feitas observações sistemáticas e cuidadosas de fenômenos elétricos. Com os conhecimentos acumulados sobre o âmbar e alguns outros materiais apresentavam o chamado efeito âmbar, assim Cardano estabeleceu claramente as diferenças entre as propriedades do âmbar e dos imãs, definindo elétricos os corpos que se comportavam como o âmbar e de não elétricos os que assim não faziam, e ainda afirmou que determinados corpos quando atritados emitiam efluvium, este se expandia em todas as direções e agia sobre os corpos e os atraia, dando inicio ao que hoje conhecemos como campo elétrico. Já no século XVI, o médico inglês William Gilbert desenvolveu um estudo detalhando sobre os fenômenos elétricos e magnéticos publicando, em 1600, um extenso tratado denominado De Magnete, no qual ele descreve esta descoberta no De Magnete da seguinte maneira. “Pois não é apenas o âmbar, como eles supõem que atrai pequenos corpos, mas também o diamante, a safira, a opala, a ametista, o cristal etc. Estas substâncias atraem todas as coisas, não somente penas e limalhas, mas todos os metais, madeira, pedra, terra e também a água e o azeite e tudo o que está sujeito a nossos sentidos e é sólido ...”Para explicar a atração exercida por todas aquelas substâncias, Gilbert adotou a hipótese do eflúvio, rejeitando veementemente a idéia da simpatia entre os corpos que se atraiam. Apesar do grande número de experiências realizadas por Gilbert, ele não chegou a observar a existência da repulsão entre dois corpos eletrizados. Como sabemos, quando um corpo leve é atraído por um objeto atritado, após tocar este objeto o corpo é repelido por ele. Em virtude desta descoberta, a teoria do efluvium teve que sofrer modificações, pois ela não era capaz de explicar o fenômeno da repulsão elétrica. Após a publicação dos trabalhos de Gilbert, durante todo o século XVII vários cientistas preocuparam-se em realizar experiências com corpos eletrizados, usando preferencialmente tubos e esferas de vidro, material este que se mostrou bastante adequado para este tipo de experiências. No início do século XVII, alguns experimentadores perceberam que era possível eletrizar um corpo ligando-o, por meio de um fio, a outro corpo que tivesse adquirido eletricidade por atrito. A situação não se alterou muito com os estudos de Otto Von Guericke (1602-1686), físico alemão, que notou a repulsão de partículas de mesma carga, e construiu a primeira máquina eletrostática para eletrizar um corpo, o gerador eletrostático. Observou o poder das pontas nos corpos eletrizados e também que a chama de uma vela podia deseletrizar um corpo metálico carregado. Descobriu a indução elétrica, uma maneira de eletrizar um corpo sem qualquer contato com ele. Uma de suas mais importantes descobertas foi a de que substâncias eletrizadas, além da atração, podiam sofrer repulsão. Mas foi incapaz de explicar como uma bola carregada podia eletrizar outra por contato, ou seja, a condução ou transmissão da eletricidade. Talvez porque, para ele, a eletricidade fosse uma qualidade intrínseca dos corpos e, portanto, não transmissível. Apesar disto, um considerável número de importantes observações qualitativas surgiu neste período. Em 1731, o inglês Stephen Gray (1679-1736) demonstrou claramente a condução elétrica nos corpos, que foram então por ele classificados de condutores e não-condutores (isolantes). Lançou a idéia de associar a eletricidade a um fluído elétrico, universal e imponderável, capaz de depositar-se entre os poros e interstícios dos corpos materiais. O cientista francês François Dufay analisando estas experiências, concluiu que a intensidade de eletrização do corpo por meio de ligação dependia do material de que era feito o fio. Ele chegou, então, à conclusão de que certas substâncias conduziam bem a eletricidade, enquanto outras não o faziam. Desta maneira, estava sendo estabelecidos os conceitos de corpos condutores e corpos isolantes, tais como os conhecemos atualmente. Portanto, de acordo com estas idéias, a eletricidade não era criada quando o corpo era atritado. Os fluídos elétricos já existiam nos corpos e havia apenas uma redistribuição destes quando eram atritados. Esta teoria passou a ser conhecida com o nome de teoria dos dois fluídos e com ela era possível explicar todos os fenômenos elétricos conhecidos na época. No decorrer do século XVIII, as experiências com corpos eletrizados tornaram-se muito populares e eram realizadas em praças públicas, mesmo por pessoas leigas, apresentando resultados espetaculares que atraiam a atenção de um grande público. Foi ao assistir a um desses espetáculos que o cientista americano Benjamin Franklin se interessou pelo estudo dos fenômenos elétricos. Este cientista realizou um número muito grande de experiências que contribuíram significativamente para o desenvolvimento da eletricidade. Uma importante contribuição de Franklin, apresentada na mesma época em que a teoria dos dois fluídos era amplamente divulgada na Europa, foi à formulação de outra hipótese, denominada teoria do fluído único. De acordo com essa teoria os corpos não eletrizados possuíam uma quantidade normal de certo fluído elétrico. Quando um corpo era atritado com outro, um deles perdia parte de seu fluído, que era transferido para o outro. Como Franklin não conhecia a terminologia usada por Dufay, ele criou sua própria nomenclatura, dizendo que o corpo que recebia o fluido elétrico ficava eletrizado positivamente e aquele que perdia ficava eletrizado negativamente. Esta terminologia, como sabemos, é usada até hoje e corresponde, respectivamente, aos termos eletricidade vítrea e eletricidade resinosa, usados por Dufay. Do mesmo modo que na teoria dos dois fluídos, a teoria de Franklin previa a conservação da carga elétrica, isto é, a eletricidade não é criada e nem destruída no processo de eletrização: ela já existe nos corpos e simplesmente se redistribuem entre eles quando são atritados. Estas duas teorias da eletrização mostram-se igualmente satisfatórias para explicar os fenômenos elétricos conhecidos na época (século XVIII). De fato, sabemos atualmente que existem dois tipos de cargas elétricas nas partículas que constituem um corpo material. Entretanto, a teoria do fluído único de Franklin está mais de acordo com os conhecimentos atuais na explicação do processo de eletrização por atrito. Entre os diversos trabalhos que foram desenvolvidos pelos cientistas com este objetivo, destacam-se as experiências realizadas por Coulomb que, em 1875, apresentou à Academia de Ciências da França um relatório de seus trabalhos. Coulomb construiu um aparelho, denominado balança de torção, com o qual ele podia medir diretamente as forças de atração e repulsão entre os corpos eletrizados. Realizando medidas com as esferas separadas por diversas distâncias, Coulomb verificou que, realmente, a força elétrica era inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Além disso, ele concluiu também que esta força era proporcional ao produto das cargas elétricas das esferas, chegando, assim, à expressão definitiva da lei que leva o seu nome. Este fato se revestiu de grande importância, uma vez que a lei de Coulomb foi à primeira lei fundamental estabelecida no campo da Eletricidade. No decorrer dos séculos XIX e XX, um grande número de novos fenômenos elétricos foi estudado e novas leis foram estabelecidas, provocando um notável progresso desta área da ciência.

            Os fenômenos eletrostáticos são conhecidos desde o tempo dos gregos. Naquela época já se sabia que o âmbar, atritado com um pedaço de lã, era capaz de atrair pequenos pedaços de fibra vegetal (palha, linho, etc.). E, durante vários séculos o fenômeno foi considerado apenas como uma curiosidade natural. Mas, em 1600, o médico inglês William Gilbert publicou o primeiro tratado a respeito da eletricidade, no qual fazia referência às cargas elétricas geradas por atrito. Seu trabalho deu origem as primeiras "máquinas eletrostáticas", que produziam eletricidade pelo atrito de um disco de âmbar entre dois pedaços de pele de carneiro. Mais tarde, em 1752, Benjamin Franklin chegava à conclusão de seus trabalhos em eletricidade atmosférica, nos quais provava a existência de cargas elétricas no ar. Estes conceitos básicos sobre a natureza da eletricidade levaram à conclusão de que as máquinas eletrostáticas produziam e armazenavam cargas elétricas, sem, contudo poder movimentá-las, devido às propriedades isolantes dos materiais usados em sua construção. Só se conseguiu compreender as propriedades elétricas dos vários materiais isolantes e condutores após o desenvolvimento das teorias a respeito do átomo. Sabe-se, atualmente, que um determinado material é isolante porque os elétrons de seus átomos não gozam de mobilidade, como acontece no caso dos átomos de metais, que são bons condutores. Ao serem produzidas, as cargas permanecem na superfície do material isolante, até que sejam retiradas por um corpo condutor. Este fato é aproveitado para a construção dos geradores eletrostáticos do tipo Van de Graff; tendo aparecido em 1930, destinam-se a produzir voltagens muito elevadas para serem usadas em experiências de física. Um gerador eletrostático é um equipamento capaz de gerar cargas elétricas estáticas. Os geradores eletrostáticos transformam energia mecânica em energia elétrica. O primeiro gerador de eletricidade foi um gerador eletrostático de fricção. Foi construído no século XVII pelo alemão Otto Von Guericke e era constituído por uma esfera de enxofre com um eixo ligado a uma manivela. Girando a manivela, a esfera friccionava um pano de lã e produzia eletricidade. Outros geradores eletrostáticos se lhe seguiram. Dentre eles, os geradores eletrostáticos por indução que utilizam a fricção, mas permitem a geração de eletricidade por influência. Enquanto os primeiros modelos apenas geravam uma forma de eletricidade (positiva ou negativa), outros permitiam gerar as duas formas. Em 1785 foi construído um gerador eletrostático capaz de produzir tensões de 300 000 Volt e descargas com 60 cm de comprimento. Em 1930 um físico norte-americano construiu uma máquina eletrostática que tomou o seu nome, o gerador de Van de Graff, que é uma máquina destinada a laboratórios de Física Nuclear sendo constituída por dois cilindros ligados por uma correia na qual a geração de eletricidade ocorre por fricção e por indução. Os geradores de Van de Graff atingem tensões de milhões de Volt. No gerador de Van de Graff, um motor movimenta uma correia isolante que passa por duas polias, uma delas acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se dentro da esfera metálica oca. Através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador de alta tensão. A correia eletrizada transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde elas são coletadas por pontas metálicas e conduzidas para a superfície externa da esfera. Como as cargas são transportadas continuamente pela correia, elas vão se acumulando na esfera. Por esse processo, a esfera pode atingir um potencial de até 10 milhões de volts, no caso dos grandes geradores utilizados para experiências de física atômica, ou milhares de volts nos pequenos geradores utilizados para demonstrações nos laboratórios de ensino.

            Michael Faraday (1791 – 1867) foi o primeiro a propor o conceito de campo elétrico e também contribuído com outros trabalhos para o eletromagnetismo, posteriormente este conceito foi aprimorado com os trabalhos de James Clerk Maxwell, discípulo de Faraday. O conceito de campo elétrico surgiu da necessidade de explicar a ação de forças à distância. Podemos dizer que o campo elétrico existe numa região do espaço quando, ao colocarmos uma carga elétrica nessa região tal carga é submetida a uma força elétrica. O campo elétrico pode ser entendido como sendo uma entidade física que transmite a todo o espaço a informação da existência de um corpo eletrizado e ao colocarmos outra carga nesta região, será constatada a existência de uma força de origem elétrica agindo nesta carga.
Os relâmpagos são descargas elétricas que ocorrem dentro de uma nuvem, entre duas nuvens, entre uma nuvem e a atmosfera, ou entre uma nuvem ou entre o solo (os chamados raios, que representam tipicamente 20% das descargas. Os relâmpagos podem ser verticais e, normalmente predominam na parte da frente de uma trovoada (tempestade) e os horizontais na parte de trás. Uma trovoada típica produz três ou quatro descargas por minuto. Um raio é uma descarga elétrica que se produz entre nuvens de chuva e a terra. A descarga é visível com trajetórias sinuosas e de ramificações irregulares às vezes com muitos quilômetros de distância, fenômeno conhecido também como relâmpago. Ocorre também uma onda sonora chamada trovão. O raio ocorre no momento em que as cargas elétricas atingem energia suficiente para superar a resistência elétrica do ar, ocorrendo então à descarga de forma explosiva, luminosa e violenta. Um trovão consiste num conjunto de fenômenos intensos associados cumulo nimbos: relâmpagos, trovões, rajadas de vento, inundações, granizo e, possivelmente, tornados. Para uma trovoada se formar é necessário que exista elevação de ar úmido numa atmosfera instável. Os trovões são o ruído que os relâmpagos (luz) fazem quando atravessam o ar. A atmosfera funciona como um isolador entre a nuvem e o solo. Hoje se sabe que os relâmpagos estão relacionados à eletricidade na atmosfera.

Em uma esfera eletrizada em equilíbrio eletrostático, a distribuição das cargas é uniforme. Entretanto, se o condutor em equilíbrio eletrostático for de forma geométrica variável, a concentração das cargas será maior nas regiões mais pontiagudas. Quando um condutor eletrizado, com forma pontiaguda, é mergulhado no ar (normalmente isolante), os átomos que existem na atmosfera são polarizados pelo campo elétrico, nas proximidades das pontas. Se a intensidade do campo elétrico for suficientemente alta, os íons atraídos ou repelidos entrarão em colisão com outros átomos, produzindo mais íons e tornando o ar (nas proximidades da ponta) mais condutor. Esse fenômeno é conhecido com poder das pontas. Tal propriedade é utilizada, por exemplo, em pára-raios. Quando a ionização tornar-se mais intensa, a região em torno da ponta poderá ficar luminosa, devido à luz emitida pelas colisões, e até provocar um deslocamento de ar, chamada vento elétrico. A função principal dos pára-raios é evitar que os raios ocorram. Para isso ele se utiliza do poder das pontas. Quando uma nuvem se aproxima de um pára-raios, ela induz cargas de sinal contrário no solo que fica eletrizado. Se nessa região existir um pára-raios, este, também ficará eletrizado, mas devido ao poder das pontas um maior número de cargas elétricas irá se concentrar na ponta do pára-raios. E após certa concentração, as cargas começam a serem ejetadas das pontas dos pára-raios, tornando-se, assim, íons e elétrons livres que agora viajam pelo ar. As nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que aos poucos vão neutralizando a própria nuvem.

Veremos agora algumas atividades laboratoriais que envolvem conceitos pertinentes ao estudo da eletrostática:

Atividades no Laboratório 

• Distribuição das cargas elétricas nos corpos

O comportamento das cargas elétricas(estática) na superfície externa do condutor é o objetivo desse experimento. Para tal usamos: o Gerador der Van Graaff, fita adesiva, tiras de papel laminado e duas conexões de fio.Bom,a montagem do experimento éa seguinte: cortar as tiras de papel laminado ( 5mm x 60 mm) e fixe-as na superfície externa da esfera com fita adesiva, somente a ponta das tiras, conforme a imagem abaixo. Ligando o gerador é notável observar o comportamento das tirinhas do papel laminado.O campo elétrico criado em torno da esferasedirecionam radialmente ou perpendicularmente, Deslocando assim as tirinhas de papel.

Veja o vídeo a seguir para
 a maior compreensão do experimento.

• Princípio de funcionamento do Eletroscópio de folha

        Esse experimento objetiva o funcionamento do Eletroscópio de Folhas. Para isso precisa-se dos seguintes materiais: o gerador de Van der Graaff, uma haste do eletroscópio de folha e um bastão de teste. Com esses materiais em mão, é só fixar a haste do eletroscópio de folha no topo do gerador e ligar o gerador. Com o gerador ligado as laminas de aço é repelida, ou seja, ele tem a mesma carga elétrica da haste. Mas se pegarmos com a mão “fiapos” de algodão e aproximá-los da esfera do gerador, mantendo a mão numa posição próxima, “o fiapo” de algodão é atraído. Isto por que o algodão é eletricamente neutro, valendo salientar que isso ocorre através da indução eletrostática.

Veja a seguir um vídeo que mostra a
 execução desse experimento.

• Torniquete elétrico

        Como funciona o torniquete elétrico? Para responder a essa pergunta, iremos fazer um experimento. Para tal,precisaremos dos seguintes materiais: um torniquete eletrostático e o gerador de Van der Graaff. Bom, o procedimento da montagem do experimneto é a seguinte: introduzir na cabeça do gerador o torniquete. Ligando o gerador, o torniquete começa a girar em sentido horário. Isso por que quando um condutor eletrizado, com forma pontiaguda, é mergulhado no ar(normalmente isolante), os átomos que existem na atmosfera são polarizados pelo campo elétrico nas proximidades das pontas.Se a intensidade do campo elétrico for suficientemente alta, os íons atraídos ou repelidos entrarão em colisão com outros átomos, produzindomaior íons e tornando o ar( nas proximidades da ponta) mais condutor. Esse fenômeno é conhecido como poder das pontas.Se mudar a direção das pontas do torniquete o sentido mudará também.

        Uma pessoa isolada eletricamente da terra, quando em contato com um gerador eletrostático fica eletrizada. O potencial chega a valores elevados, como 10⁵ volts, mas não causa danos a pessoa, pois ela não é atravessada por corrente elétrica devido ao isolamento elétrico. Porém, os seus cabelos se levantam, pois eles repelem-se mutuamente. É por que há eletrização deles com cargas de mesmo sinal, como em todo corpo.

Veja a seguir um vídeo que mostra a

 execução desse experimento.

• Descarga elétrica na atmosfera, qual o por que?

        O que seria uma descarga elétrica? Para responder a essa pergunta faremos um experimento envolvendo o gerador de van der Graff, uma conexão de fio, e uma esfera de cabo isolante. Fazendo a conexão de fio entre o bastão de teste e a conexão de fio terra, e ligando o gerador, basta aproximar o bastão de teste com a esfera do gerador, que irá sequenciar descargas elétricas. Para que ocorram essas descargas elétricas é preciso que as cargas dedo gerador e o bastão sejam opostos. Dá para se notar que, o comportamento, do ar atmosférico passa de isolante, para condutor. Acontece que no gás não existem somente moléculas, neutras, mas, também existem íons desse gás.  Isto é, muitas moléculas do gás perdem elétrons e se tornam um conjunto de partículas cuja carga total é positiva.  Esse conjunto de partículas é chamado íon. O fenômeno se chama ionização, esses íons e esses elétrons são cargas elétricas em movimento, que constituem a corrente elétrica no gás, com isso o gás é um condutor.  Sendo o gás condutor, a forte atração entre o bastão de teste com a esfera do gerador, irá sequenciar descargas elétricas, é o que chamamos de raio (o raio é um tipo de eletricidade natural e quando ocorre uma descarga atmosférica temos um fenômeno de rara beleza, apesar dos perigos e acidentes que o mesmo pode provocar). A cor azulada, proveniente da descarga elétrica se dá pelo rápido movimento de elétrons, é tão rápido que eles fazem ao seu redor iluminar-se, é o que chamamos de relâmpago nos dias de tempestade. O ruído observado da descarga elétrica se dá pelo fato do aquecimento brusco e da rápida expansão do ar, produzindo assim uma forte pressão que se manifesta através do trovão, parte sonora. 

Veja a seguir um vídeo que mostra a

 execução desse experimento

Créditos:

Este artigo foi produzido por: Jamerson Cordeiro e Jarbas Fonseca Filho. Sob a orientação do professor: Dielson hohenfeld. 

Referências:

Livro: Os Alicerces da Física, 3: Eletricidade/ Carlos Tadashi Shigekiyo Kazuhito Yamamoto, Luiz Felipe Fuke. – 14 ed. – São Paulo: Saraiva, 2007.

<http://physisfisica.blogspot.com/2009/03/carga-eletrica.html>

<http://www.if.ufrgs.br/fis/EMVirtual/crono/crono.htm>

<http://pt.scribd.com/doc/2979202/Apostila-de-Fisica-Eletricidade-Magnetismo-Optica>

<http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/a-rigidez-dieletrica.htm>

<http://www.fisica.icen.ufpa.br/aplicada/rigidez.htm>

<http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20031/Ricardo/funcpararaios.html>

(todos os sites foram acessados em 03 de junho de 2011)