Buscando a origem da Eletricidade

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UFF, ORIGEM DA ELETRICIDADE ...
Apresentação
1. O que é força?
2. As forças com que convivemos no dia-a-dia
3. Convenção da corrente elétrica
Maria Teresa Thomaz (UFF)
mariateresa.thomaz@gmail.com
2.1. Força da Gravidade
2.2. Força Elétrica
Resumo
Apresentamos a origem dos fenômenos elétricos que tanto mudaram as comodidades diárias
que a humanidade passou a desfrutar a partir do final do século 19. Para entendermos as
características da força elétrica a comparamos com a força com que lidamos no nosso cotidiano:
a força gravitacional. Mostramos que os átomos da Tabela Periódica são constituídos de
elétrons, prótons e nêutrons e entre essas partículas as que possuem carga elétrica são a origem
dos fenômenos elétricos. Discutimos a convenção das correntes elétricas nos circuitos e sua
relação com o movimento microscópico dos elétrons.

UFF, ORIGEM DA ELETRICIDADE … 2
A Matemática, as linguagens escritas (latim, grego, português, ...) e a
Ciência nascem das nossas necessidades no dia-a-dia quando vivemos
em comunidade.
A nossa curiosidade procura situações que achamos que tem algum
problema, cuja a resposta não nos satisfaz ou que achamos que a
resposta está errada.
Encontramos problemas para tirar o nosso sustento da Terra em que
vivemos e nos organizar para viver em comunidades/cidades. Enquanto
grupo nos unimos para sobreviver da melhor forma possível ao mundo
que nos rodeia.
Assim nasce a Ciência e os cientistas/pesquisadores...
Cada palavra que usamos na Ciência tem a sua origem em ações e coisas
com que convivemos no nosso dia a dia.

UFF, ORIGEM DA ELETRICIDADE ... 3
1. O que é força?
A força que fazemos sobre uma pessoa, sobre um animal ou sobre um objeto é
um puxão ou empurrão que realizamos sobre ela ou ele.
O que fazemos para lançar uma bola no jogo de futebol?
Damos um chute na bola, empurrando-a com o nosso pé. Para dar movimento a
bola fazemos um força sobre ela.
Sir Isaac Newton nos ensinou que as forças são responsáveis por começarmos
a nos movimentar e para pararmos.
Temos diferentes tipos de forças:
1. forças de contato:
no abraço
força elástica forças normal
e peso
força de atrito

É possível puxar ou empurrar sem tocar na pessoa, no animal ou no objeto?
2. forças sem contato :
Sempre que largamos um objeto ele cai em direção ao
chão. O objeto é puxado para o chão.
O imã é puxado pela parede da geladeira ou
qualquer pedaço de ferro.
Nem todo empurrão e/ou puxão que sentimos tem algo nos tocando !!!!
Pedra de Hematita

2. As forças com que convivemos no dia-a-dia
Todos os puxões e empurrões que existem em todo o Universo são explicadas por 4
Forças Fundamentais da Natureza. São essas forças que explicam a dureza da pedra, a
água que rola, o mecanismo da fotossíntese que permitem as plantas gerarem o gás
oxigênio que respiramos, o movimento da Lua em torno da Terra, o sistema solar, ...
Só existem apenas 4 Forças Fundamentais? Não sabemos. Continuamos a fazer
perguntas e procurar respostas.
Existem duas Forças Fundamentais com que convivemos no nosso dia-a-dia.
Essas forças são tão comuns na nossa vida que acabamos não dando a elas a
devida importância:
► Força da Gravidade
► Força Elétrica

6
2.1. Força da Gravidade
A primeira força com que nos defrontamos na nossa vida:
Porque o bebê cai?
É a força da gravidade !!!
Sir Isaac Newton nos ensinou que quaisquer 2
objetos que possuem massa se atraem.
Sir Isaac Newton
1
6
4
3
-
1
7
2
7

O que é massa ?
Utilizamos a palavra massa para falar do que as pessoas, animais e objetos são feitos:
Massa do bolo
Massa das pedras
Massa da Teresa
É o valor da massa da pessoa, animal ou objeto que pesamos na balança:
A massa é uma característica
do corpo.
Maçã
Vaquinha
Terra

O que acontece com todas as massas?
Quando as largamos no ar, todas são sempre
puxadas para o chão !!!
Quando você conversa com um brasileiro que linguagem você usa?
Português.
Quando você conversa com um americano que linguagem você usa?
Inglês.
Quando você conversa com a Natureza que linguagem você usa?
Matemática.
Como nos comunicamos:
Porque???
O jovem Isaac Newton

Relembrando um pouco de Matemática:
Na Física temos algumas grandezas que são muito grandes
e outras que são muito pequenas. Para manipulá-las de forma fácil
utilizamos potências de 10.
Vejamos alguns exemplos:
𝟏𝟎 = 𝟏𝟎+𝟏
𝟏𝟎𝟎𝟎 = 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎 = 𝟏𝟎+𝟑
1.000.000 = 𝟏𝟎+𝟔
1 10
0, 10
0
𝟏
𝟏𝟎
= 𝟏𝟎−𝟏
= 0,1
𝟏
𝟏𝟎𝟎𝟎
=
𝟏
𝟏𝟎×𝟏𝟎×𝟏𝟎
= 𝟏𝟎−𝟑 = 0,001
𝟏
𝟏𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎
= 𝟏𝟎−𝟏𝟏
= 0,00000000001

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O que Sir Isaac Newton nos ensinou sobre o puxão que se faz
com todos os corpos em direção ao chão:
Este puxão é dado pela força da gravidade, 𝑭 𝑮 ,
𝑭 𝑮 = 𝑮.
𝒎 𝟏 . 𝒎 𝟐
𝒓 𝟐
onde:
𝑮 = 𝟔, 𝟔𝟕 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏
𝒎 𝟑
𝒌𝒈. 𝒔 𝟐
sendo
m 1 : massa do objeto 1
m 2 : massa do objeto 2 r : distância entre os centros dos objetos
G: constante da Gravitação

Se dois corpos que possuem massa sempre se atraem, porque quando eu largo
uma “maçã” a uma distância de 0,5m de mim, ela não vai na minha
direção?
Newton nos ensinou a calcular as forças que agem
sobre a maçã quando a solto:
1) Força com que eu puxo/atraio a maçã :
mTt = 80 kg, mmaçã = 10g = 0,01kg, r = 0,5m
Teresa: 80kg
𝐅 = 𝟐, 𝟏 × 𝟏𝟎− 𝟏𝟎 𝐍
2) a força que a Terra atrai/puxa a maçã (peso):
MTerra = 6 . 10+24 kg mmaçã = 10g, RTerra = 6.378km
Terra: 6 . 10+24 kgP = 9,7 × 𝟏𝟎 − 𝟐 N

Porquê quando largamos a maçã ela sempre cai em direção a Terra?
Relembrando:
𝐅 = 𝟐, 𝟏 × 𝟏𝟎− 𝟏𝟎 𝐍 P = 9,7 × 𝟏𝟎 − 𝟐 N
Assim,
Conclusão : a força com que a Terra atrai todos os objetos que têm massa é MUITO
MAIOR que a força que nós exercemos sobre eles. Esqueça a força que fazemos
sobre eles!!!
𝐅
𝐏
=
2,1×10− 10 𝐍
9,7 × 10−2 𝐍
F ≈
𝟐 ×𝐏
𝟏.𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎

2.2. Força Elétrica
A Força Elétrica é parte de uma força chamada de Força Eletromagnética.
Como sentimos no nosso dia-a-dia essa Eletricidade?
Normalmente passamos a mão na parede e não
sentimos nada, mas se colocamos o dedo na
tomada, que tenha tensão elétrica, ....
Se tiver uma fuga de corrente elétrica no
chuveiro elétrico e o tocamos enquanto
estamos com o pé na água, levamos um
choque elétrico.

Qual a parte da Ciência que estuda a corrente elétrica?
A Eletricidade.
Quando o homem/mulher começaram e sentir os efeitos da
Eletricidade?
Textos egípcios de 2.750 a.C. mencionam os “peixes
elétricos” no Rio Nilo. Naturalistas e médicos gregos,
romanos e árabes em eras a.C. mencionam os efeitos de
choques elétricos para tratar as pessoas que sofriam de
gota e dores de cabeça.
No Brasil temos a enguia elétrica (poraquê) que dá
choque ao tocá-la.
O choque que sentimos ao tocá-la é forte?
de 300V a 1.500V

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Temos a corrente elétrica nos raios das trovoadas, em alguns peixes.
A corrente elétrica aquece a água que sai do chuveiro.
Tudo é Eletricidade !!!!
Como manter uma corrente elétrica no fio para manter a luz acessa?
Alessandro Volta: criou a pilha voltaica/bateria.
Pilha voltaica: camadas de zinco e cobre. Fonte
de corrente elétrica: manter cargas elétricas em
movimento.
Hoje temos:

O que é responsável por fazer aparecer os efeitos da Eletricidade?
Até quase o final de 1890 se acreditava que fluidos eram responsáveis pelos
efeitos elétricos. Alguns cientistas da época acreditavam que haviam dois tipos
de fluidos elétricos: fluido elétrico positivo e fluido elétrico negativo.
Ao estudar os raios catódicos em 1897, Joseph John
Thomson descobriu o elétron, uma partícula de carga
elétrica negativa.
As cargas elétricas positivas também são partículas. Em 1918
Ernst Rutherford descobriu o próton que é uma partícula de
carga elétrica positiva.
Ernst Rutherford
Joseph J. Thomson

Origem da Eletricidade: alguns materiais além de massa possuem
outra característica: a carga elétrica.
Quantos tipos diferentes de carga elétrica? 2 tipos:
cargas positivas (+),
cargas negativas (-).
Cargas elétricas com o mesmo sinal: se empurram
Cargas elétricas com sinais diferentes: se puxam

Elétron : foi descoberto por J.J. Thomson em 1897.
mel = 9,1 . 10-28g
carga elétrica: 𝒒 𝒆− = - 1,6. 10-19C
= - 0,00000000000000000016 C
As cargas negativas são MÚLTIPLAS da carga do elétron: 4 x 𝒒 𝒆− , 1.000 x 𝒒 𝒆− , …
Próton : foi descoberto E. Rutherford em 1918.
Mpr = 1,672. 10-24g
(Mpr ~ 1870 mel )
carga elétrica = 𝒒 𝒑+ = + 1,6. 10-19C
= + 0,00000000000000000016 C
Os valores das cargas positivas e negativas na matéria:
As cargas positivas são MÚLTIPLAS da carga do próton: 24 x 𝒒 𝒑+ , 3.000 x 𝒒 𝒑+, …

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Vejamos os tijolos da Natureza a partir dos quais toda a matéria é feita.
Qual a menor quantidade que mantém todas propriedades de cada matéria?
A molécula da matéria.
Como exemplo de um tipo de matéria, consideramos a água;
água
átomo
átomo
lego
Do que são feitos os átomos, os legos da Natureza?
Podem ser constituídos de
até 3 partículas diferentes;
elétron: carga elétrica negativa
próton: carga elétrica positiva
nêutron: carga elétrica nula

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Como os elétrons, prótons e nêutron se juntam para formar os legos da
Natureza, ou seja, dos átomos?
átomo de oxigênio
e
átomo de hidrogênio
A carga elétrica total de cada átomo é nula (zero).
Se somos feitos dessas
partículas girando em torno
de núcleos formados de
outras partículas, por que
não as vemos?
Erwin Schrödinger

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O átomo mais simples da Natureza: átomo de hidrogênio.
Qual o tamanho típico de um raio atômico do hidrogênio?
𝐫á𝐭𝐨𝐦𝐨 ~ 𝟏𝟎− 𝟏𝟎
𝐦 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟏 𝐦
É possível ver um átomo de hidrogênio a olho nu?
Comparamos o raio atômico de hidrogênio com algo que enxergamos:
• espessura de um cabelo : 0.1mm = 10-4m = 0,0001m
raio do átomo: 𝐫á𝐭𝐨𝐦𝐨 =
𝐞𝐬𝐩𝐞𝐬𝐬𝐮𝐫𝐚 𝐝𝐨 𝐜𝐚𝐛𝐞𝐥𝐨
𝟏. 𝟎𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎
diâmetro do núcleo: 𝐝 𝐧ú𝐜𝐥𝐞𝐨~𝟏𝟎 −𝟏𝟒 𝐦 =
𝐞𝐬𝐩𝐞𝐬𝐬𝐮𝐫𝐚 𝐝𝐨 𝐜𝐚𝐛𝐞𝐥𝐨
𝟏𝟎. 𝟎𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎

Força Elétrica:
Em 1785 Coulomb conseguiu determinar a expressão
da força entre cargas elétricas pontuais:
|𝑭 𝒒−𝑸|= k ×
| 𝒒 .𝑸|
𝒓 𝟐
𝐤 = 𝟖, 𝟗𝟗 × 𝟏𝟎+𝟗 𝑵 𝒎 𝟐
𝑪 𝟐
empurrão/repulsão
puxão/atração
Embora as massas só possam se puxar através da Força da Gravidade, as cargas elétricas
podem se puxar ou se empurrar através da Força Elétrica.
Charles Augustin
de Coulomb
1
7
3
6
-
1
8
0
6

As partículas que constituem o átomo, elétron, próton e nêutron sentem a
força elétrica?
elétron: carga elétrica negativa sente a força elétrica
sente a força elétricapróton: carga elétrica positiva
nêutron: carga elétrica nula não sente a força elétrica
Comparação entre as massas dos elétrons, prótons e nêutrons:
𝒎 𝒏ê𝒖𝒕𝒓𝒐𝒏 ≈ 𝒎 𝒑𝒓ó𝒕𝒐𝒏 ≈ 𝟐. 𝟎𝟎𝟎 × 𝒎 𝒆𝒍é𝒕𝒓𝒐𝒏
Uma quantidade de elétrons que corresponde a uma massa total de 1kg, o mesmo
número de prótons vai ter uma massa total de 2 toneladas (~2.000 kg)!!!!
mala vazia: ~1,3kg
Ambulância: ~2,2 tonelada
O que é mais fácil empurrar?

É o mundo do muito pequeno, o átomo, responsável pelas correntes elétricas, cargas
elétricas em movimento, que passam pelos nosso equipamentos, fazendo-os funcionar.
O que é a tensão elétrica ou diferença de potencial (ddp)?
VA
VB
→
E VA > VB
Qual partícula carregada anda no
fio: elétron ou próton?
mpróton ~ 2.000 × melétron
É esse empurrão/força elétrica nos elétrons
que cria a corrente elétrica que acende a luz:

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A parte interna dos fios é feita de metal e a parte
externa é feita de borracha ou plástico para não
sentirmos choque ao tocarmos os fios. Porque?
Os metais, tais como: prata, cobre, ouro, alumínio, latão,
ferro, etc, são bons condutores de corrente elétrica.
O corpo humano conduz corrente elétrica?

Sim, o corpo humano conduz corrente elétrica. mas esta condução de
corrente elétrica não é igual a sua condução num metal.
Se você tem um fio ligado a tomada que está quebrado, a corrente
elétrica não passa nele. O caminho da corrente elétrica foi cortado.
Se você toca na parte de metal do fio,
a corrente passa pelo seu corpo indo
para a Terra. O caminho da corrente
elétrica volta a se fechar e a corrente
volta a andar por ele.
Existem materiais em que as cargas elétricas tenham dificuldade
em andar através deles?
Meios isolantes as correntes elétricas.

A corrente elétrica tem dificuldade de andar
na borracha, vidro, madeira seca ...
isolantes
É por isso que usamos chinelo ou sapato
com sola de borracha para mexer em
lugares que podem ter fuga de corrente
elétrica.
Existe isolante perfeito? Não ...

A “bolinha de carga elétrica negativa”, o elétron, que
nós não conseguimos ver, é responsável por:

Comparação entre os efeitos da força gravitacional com a força
eletrostática sobre pequenos pedaços de papel:

3. Convenção da corrente elétrica
Precisamos conhecer as características dos átomos para determinarmos as correntes,
ddp e elementos nos circuito elétricos?
Não !!!
Georg Simon Ohm
1
7
8
9
-
1
8
5
4
Georg Ohm em 1827
enunciou a Lei de Ohm: V = R I .
V: diferença de potencial (ddp) entre a reserva de cargas
positivas e a reserva das cargas negativas.
Ohm não soube da desco-
berta do elétron, a carga
elementar negativa, em
1897.
R: resistência que o material tem a passagem das cargas
elétricas através dele.
I : corrente elétrica, que é o movimento de
cargas elétricas positivas que atravessam
uma área transversal por unidade de tempo.

Como é possível continuar a usar a escolha de corrente de cargas elétricas positivas
no circuito se o elétron é muito muito mais leve que o próton?
+
+
+
+
+
+-
-
-
-
-
-
+
+
+
+ -
-
-
-
carga
negativa
-
-
-
-
+
+
+
+
carga
positiva
a mesma
situação
elétrica
Como a situação final nos dois
depósitos de cargas elétricas
positivas e negativas é a mesma,
podemos escolher o sentido que
quisermos para a corrente.
Atenção: o sentido das
correntes de cargas positivas
é contrário ao sentido das
correntes negativas.

O que escolhemos?
-
-
-
-
+
+
+
+
carga
positiva
VA
VB
VB > VA
× ×
B A
→
I
VB > VA
A corrente de cargas positivas I sempre se deslocam no
circuito no sentido de diminuir o valor do potencial elétrico.
Onde no circuito elétrico fica esse depósito de cargas elétricas positivas e negativas?
i) na pilha ii) a tomada na parede
onde

33
A convenção para a corrente elétrica nos circuitos que calculamos:
Existe algum fenômeno elétrico que seja capaz de saber se são cargas elétricas
positivas ou negativas que andam pelo circuito?
Sim, o efeito Hall, mas a discussão desse efeito fica para uma outra conversa.

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Qual a diferença entre força da gravidade e a força elétrica?
Força da gravidade: puxão entre massas.
Força elétrica: puxão ou empurrão entre
cargas elétricas.
O que é a corrente elétrica que faz os aparelhos funcionar?
Elétrons em
movimento.
O mundo do muito pequeno (10 – 10m) nos dá o conforto do nosso dia-a-dia.
Convenção da corrente elétrica: cargas elétricas positivas andando ao
longo do fio.

Viva o mundo do átomo, que não vemos, mas que é a
base da revolução tecnológica do nosso tempo.
Obrigada pela sua atenção !!!

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