Fisica III_02 carga elétrica

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Aula ministrada pelo docente Farley Correia Sardinha da disciplina de Física III ministrada na Multivix 2013_2.

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Fisica III_02 carga elétrica

  1. 1. Unidade 1 – Carga Elétrica Prof. MSc. Farley Correia Sardinha
  2. 2. OBJETIVOS: 1.Reconhecer as partículas elementares do Modelo Padrão; 2.Compreender o conceito de Carga Elétrica, como propriedade dessas partículas; 3.Compreender o conceito de campo, como efeito da interação de cargas elétricas; 4.Identificar as formas de eletrização de objetos macroscópicos.
  3. 3. Todas as diferentes forças observadas na Natureza podem ser entendidas em termos de quatro interações básicas: Interação nuclear forte (ou hadrônica); Interação eletromagnética; Interação nuclear fraca; Interação gravitacional. Certas partículas participam das quatro interações, enquanto outras participam de apenas algumas delas. A teoria que identifica essas partículas e especifica suas interações é o Modelo Padrão da Física de Partículas.
  4. 4. O Modelo Padrão Partículas Básicas Léptons Quarks Hádrons identifica elementares compostas Elétron Neutrino do elétron Múon Neutrino do múon Táuon Neutrino do táuon Up Down Charm Strange Top Bottom Bárions (formados de 3 quarks ou 3 antiquarks) Mésons (formados de pares quark- antiquark) Partículas reais (partículas de matéria) Interações Fundamentais Eletromagnética Fraca Gravitacional especifica Partículas virtuais (partículas de força) Forte que são de 4 tipos há 2 tipos há 6 tipos há 6 tipos Carga elétrica devida à Campo elétrico que cria Força elétrica que exerce Fótons transmitida por Carga de cor devida à Campo forte que cria Força Forte que exerce Glúons transmitida por Carga fraca devida à Campo fraco que cria Força fraca que exerce Bósons W e Z transmitida por Massa devida à Campo gravitacional que cria Força gravitacional que exerce Grávitons transmitida por interagem trocando são são são são são são são
  5. 5. Por volta de 600 a.C. o filósofo grego Thales de Mileto notou que a eletricidade (ou carga elétrica) poderia ser acumulada ao se atritar pele animal em várias substâncias, tal como o âmbar. Os gregos notaram que pedaços eletrizados de âmbar podiam atrair objetos leves, tais como palha, pelos e penas. Eles notaram também que se o âmbar fosse atritado por tempo suficiente, uma faísca saltaria dele.
  6. 6. Hoje se sabe que há dois tipos de cargas elétricas, arbitrariamente chamadas por Benjamin Franklin (1706-1790) de: Carga negativa → atribuída ao elétron (~ em 1897). Carga positiva → atribuída ao próton (~ em 1920). Apesar de a massa do elétron ser 1/1836 da massa do próton, ambos possuem o mesmo valor de carga elétrica, a carga elementar, dada por: 풆≅ퟏ,ퟔퟎퟐퟏퟕퟔퟓퟔퟓ×ퟏퟎ−ퟏퟗ푪
  7. 7. É uma propriedade inata de algumas partículas fundamentais, que determina a interação eletromagnética entre elas. Ela é uma invariante relativística, ou seja, independe da velocidade da partícula. Além disso, trata-se de uma grandeza quantizada, ou seja, excetuando-se os quarks, toda partícula possui uma carga elétrica que é um múltiplo inteiro da carga elementar.
  8. 8. Geralmente não se pode observar a grande quantidade de cargas elétricas existentes em um objeto macroscópico, pois o mesmo possui quantidades iguais de cargas negativas e positivas. Quando há esse equilíbrio de cargas elétricas em um objeto, diz-se que ele está eletricamente neutro. Quando não há esse equilíbrio de cargas, diz-se que ele está eletricamente carregado ou eletrizado. Essa diferença de cargas é sempre muito menor do que a quantidade total de cargas positivas e negativas contidas no objeto.
  9. 9. Objeto Eletricamente Neutro Objeto Eletricamente Positivo Objeto Eletricamente Negativo Objetos Eletrizados
  10. 10. Oficialmente, o Sistema Internacional de Unidades denomina a carga elétrica como quantidade de eletricidade.  Daí vem que a quantidade de eletricidade (ou carga elétrica) de um único elétron e de um único próton são: 푸풑풓ó풕풐풏=+풆 푸풆풍é풕풓풐풏=−풆
  11. 11. No entanto, a quantidade de eletricidade de um objeto macroscópico é dada por: 푸=풏∙풆 Como já foi dito, n é um número inteiro, o que caracteriza a quantização da carga elétrica. CARGA ELEMENTAR NÚMERO DE PARTÍCULAS EM EXCESSO
  12. 12. Uma moeda de cobre (Z=29) tem massa de 3,10 gramas. Qual é a carga total de todos os elétrons da moeda? Use: NAVOGADRO = 6,02 x 1023 átomos/mol MCu = 63,5 g/mol 푁á푡표푚표푠= 푚×푁퐴푣표푔푎푑푟표 푀퐶푢 n = Z x Nátomos (número de elétrons)
  13. 13. Objetos com cargas de mesmo sinal se repelem, o que é chamado de repulsão eletrostática. + + Objetos com cargas de sinais opostos se atraem, o que é chamado de atração eletrostática. – – + –
  14. 14. De acordo com a facilidade com que as cargas elétricas podem se mover em seu interior, as substâncias podem ser classificadas como: Isolantes – a locomoção de cargas é muito difícil ou inexistente (borracha, vidro, madeira, água destilada, etc). Condutores – a locomoção de cargas elétricas ocorre com maior facilidade (cobre, corpo humano, água de torneira, etc).
  15. 15. Nos condutores, as ligações metálicas entre os átomos permitem que os elétrons das camadas mais externas sejam compartilhados por vários átomos. Dessa forma, esses elétrons de condução formam um mar de elétrons que se move aleatoriamente pelo condutor até que o mesmo seja submetido a uma diferença de potencial.
  16. 16. As propriedades de condutores e isolantes se devem à estrutura atômica. Quando átomos se unem na formação de um sólido, alguns dos elétrons mais afastados do núcleo se tornam livres para vagar pelo sólido, deixando pra trás íons positivos. Tais elétrons são chamados de elétrons livres ou elétrons de condução. Os isolantes possuem um pequeno número ou nenhum elétron de condução.
  17. 17. Semicondutores – funcionam ora como isolantes, ora como condutores, possuindo propriedades intermediárias entre os dois. São a base da eletrônica, por serem a matéria-prima dos transistores. Supercondutores – são substâncias que, a baixas temperaturas, deixam de oferecer qualquer dificuldade à passagem de cargas elétricas. Sua aplicação inclui linhas de transmissão de energia sem perdas e de alta velocidade, assim como os veículos de levitação magnética.
  18. 18. Eletrização por Ocorre em Cargas finais Particularidades Atrito Isolantes De sinais contrários Obedece à série triboelétrica Contato Condutores De sinais iguais Se os objetos forem idênticos suas cargas finais serão idênticas Indução Ao menos o induzido deve ser condutor De sinais contrários Só ocorrerá a eletrização se o induzido estiver aterrado
  19. 19. É importante destacar que sempre que um objeto é carregado ou descarregado eletricamente não ocorre nem criação e nem destruição de elétrons, ou seja: “Durante os processos de eletrização a carga elétrica total sempre se conserva.” Como a eletrização ocorre através da partilha de elétrons, que não podem ser divididos em frações, todo objeto deve possuir uma carga que é um múltiplo inteiro da carga de um elétron. Disso se conclui que a carga elétrica é uma grandeza quantizada.
  20. 20. 1.Qual a origem da palavra eletricidade? 2.No SI, qual o nome oficial da carga elétrica? 3.Sob a complexidade dos fenômenos elétricos está um princípio fundamental do qual praticamente todos os efeitos têm origem. Qual é esse princípio? 4.O que nos permite dizer que, em módulo, a carga de um elétron é igual à de um próton? 5.O que são materiais condutores? E isolantes? Dê exemplos.
  21. 21. 6.Se você arranca elétrons de um tapete para a sua pele, ao caminhar sobre ele, você está sendo eletrizado positivamente ou negativamente? 7.Quais são os principais processos de eletrização dos objetos? 8.Se dois objetos se eletrizam ao atritarem-se entre si, podem ficar com cargas elétricas de mesmo sinal? Explique. 9.Na eletrização por contato entre um objeto neutro e outro eletrizado, como ficam os sinais das cargas elétricas dos dois? Explique.
  22. 22. 10.Se um objeto condutor for eletrizado, as cargas elétricas em seu interior permanecem no local onde foram “geradas” ou se espalham? Explique. 11.Poderá um objeto adquirir uma quantidade de eletricidade que não seja um múltiplo inteiro da carga elementar? 12.Sempre que dois objetos forem colocados próximos um do outro e houver entre eles uma força de atração, pode-se afirmar que suas cargas são de sinais contrários? E se a força for repulsiva, poderemos afirmar que os dois objetos possuem cargas de mesmo sinal? Explique.
  23. 23. 13.A figura abaixo mostra cinco pares de placas: A, B e D são de plástico e estão eletrizadas enquanto C é de cobre e está neutra. Se as setas indicam as forças eletrostáticas entre as placas, como seriam as forças nas placas onde não há essa indicação? A C C D B B A D A D
  24. 24. 14.Observe a figura abaixo: As cargas induzidas nas esferas A e B seriam necessariamente iguais e opostas? Explique. A B A B A B A B
  25. 25. 15.Em um dia de clima muito seco uma menina penteia seus cabelos. À medida que o pente passa pelos longos fios de cabelo, cada fio passa a se mover acompanhando o pente. E, quando o pente se afasta, cada fio se afasta dos demais, estragando todo o penteado. Explique como esse fenômeno ocorre.
  26. 26. 16.Dada a série triboelétrica abaixo: amianto – vidro – náilon – seda – papel – borracha Se um pedaço de: vidro é atritado em seda; náilon é atritado em borracha; papel é atritado em amianto. a)Ocorrerá atração ou repulsão se aproximarmos o pedaço de: vidro do de amianto; náilon do de seda; amianto do de borracha;
  27. 27. 16.Dada a série triboelétrica abaixo: amianto – vidro – náilon – seda – papel – borracha Se um pedaço de: vidro é atritado em seda; náilon é atritado em borracha; papel é atritado em amianto. b)O que ocorrerá se um segundo pedaço de seda for atritado em borracha e aproximado do primeiro pedaço de seda?
  28. 28. 17.Três esferas condutoras idênticas são dispostas sobre uma superfície sem atrito, tal como na figura abaixo: Supondo que a do meio pode mover-se livremente e que ocorra apenas eletrizações por contato, quais serão as cargas finais das esferas, quando atingirem o equilíbrio eletrostático? +10 e +5 e –7 e
  29. 29. 18.Um bastão de material isolante, eletrizado, é aproximado de um pêndulo eletrostático, cuja esfera é condutora de eletricidade. a)No caso de haver atração entre a esfera e o bastão, como devem ser suas cargas elétricas? Explique. b)E no caso de haver repulsão? Explique.

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