Aula de Física para o nono ano.

1. Eletricidade
Parte 1 - Eletrostática

2. Eletricidade
A eletricidade é um fenômeno físico que tem
origem nas cargas elétricas. A Eletrostática refere-
se ao estudo das propriedades e do
comportamento de cargas elétricas em repouso.
A matéria é composta de átomos, que são
constituídos por três partículas: prótons, elétrons
e nêutrons.
A estrutura atômica é composta pelo núcleo
atômico, que possui os prótons e os nêutrons, e
pela eletrosfera, onde ficam os elétrons, que
orbitam o núcleo.
A carga elétrica pode ser positiva ou negativa. Os
prótons possuem carga elétrica positiva, os
elétrons, carga negativa e os nêutrons não
possuem carga.
Em poucas palavras, podemos dizer que a carga
elétrica é uma propriedade da matéria.

3. Curiosidade!
Até meio século atrás, os prótons e os nêutrons, juntamente com os
elétrons, eram considerados partículas fundamentais, ou seja,
partículas que não são formadas por nenhuma outra.
Porém, depois de alguns experimentos e análises teóricas, os físicos
descobriram que os prótons e os nêutrons eram formados por
outras partículas, que foram batizadas de quarks.
Existem seis tipos de quarks, que são conhecidos por nomes em
inglês: up (u), down (d), top (t), bottom (b), strange (s), charm (c).
Os prótons são formados por dois quarks up e um down, e o
nêutron é formado por dois quarks down e um up.

4. Corpo neutro
Os corpos na natureza são formados por milhões de prótons e elétrons.
Um corpo neutro é definido como aquele que possui a mesma
quantidade de prótons e elétrons, como no exemplo ao lado, em que
determinado corpo possui 3 prótons (P) e 3 elétrons (E). Os nêutrons
nunca são representados, pois não têm carga.
A carga total do corpo neutro, no caso, é nula.
Um corpo está eletrizado quando o número de prótons e elétrons não é
igual.
Um corpo está eletrizado negativamente quando o número de elétrons
é maior do que o de prótons e está eletrizado positivamente quando o
número de prótons é maior do que o de elétrons.

5. Eletrizando um corpo negativamente
Para eletrizar um corpo negativamente, deve-se acrescentar
um ou mais elétrons, de tal forma que o número de elétrons
seja maior do que o de prótons. Quanto maior a quantidade
de elétrons acrescentados, maior será a carga negativa do
corpo. Considere o corpo neutro ao lado formado por 5
prótons e 5 elétrons:
Acrescente-se 1 elétron e o corpo fica com 6 elétrons e 5
prótons, ou seja, 1 elétron em excesso. O corpo está carregado
negativamente com carga de –1.
E se 2 elétrons forem acrescentados ao corpo? Nesse caso, o
corpo fica com 7 elétrons e 5 prótons, ou seja, 2 elétrons em
excesso. O corpo está carregado negativamente com carga –2.
Conclui-se que quanto maior a quantidade de elétrons
acrescentados ao corpo neutro, mais eletrizado negativamente
ele se torna.

6. Eletrizando um corpo positivamente
Os prótons e os nêutrons estão confinados em uma região do
espaço conhecida como núcleo. A força de repulsão entre
esses prótons é muito grande, devido à minúscula distância
que os separa. Para mantê-los juntos, é necessária uma força
especial, chamada de força nuclear forte. Portanto, os prótons
não participam do processo de eletrização. Para eletrizar um
corpo positivamente, retira-se um ou mais elétrons, de tal
forma que o número de prótons seja maior que o de elétrons.
Considera-se o corpo neutro ao lado e acima com 4 prótons e
4 elétrons.
Retira-se um elétron do corpo, que se torna carregado
positivamente de +1. Caso sejam retirados 2 elétrons, o corpo
fica com carga de +2.

7. Neutralizando um corpo
Existem duas formas de neutralizar um
corpo carregado:
1) Corpo carregado positivamente:
Acrescentam-se os elétrons que faltam
para que o número de elétrons se torne
igual ao número de prótons.
No exemplo ao lado, um corpo com 5
prótons e 3 elétrons está carregado
positivamente com carga +2.
Portanto, acrescentam-se 2 elétrons ao
corpo e ele se torna neutro (5 prótons e 5
elétrons).

8. Neutralizando um corpo
2) Corpo carregado negativamente:
Retiram-se os elétrons em excesso para
que o número de prótons se torne igual ao
número de elétrons.
No exemplo ao lado, um corpo com 3
prótons e 4 elétrons está carregado
negativamente com carga –1.
Portanto, retira-se 1 elétron do corpo e ele
se torna neutro (3 prótons e 3 elétrons).

9. Princípio da atração e repulsão (Lei de Du Fay)
Cargas elétricas com o
mesmo sinal se repelem,
e cargas com sinais
contrários se atraem.
Dessa forma, prótons
repelem prótons e
elétrons repelem
elétrons. Os prótons e os
elétrons se atraem.
A ilustração ao lado
mostra as situações
possíveis:

10. Os raios
Desconhece-se como as nuvens ficam carregadas. A teoria
mais aceita é a de que a eletrização ocorre por meio do
choque de partículas de gelo, água e granizo.
As nuvens carregadas induzem carga de sinal contrário no
solo. O ar é um isolante elétrico, porém, quando a
eletrização da nuvem e do solo se torna muito alta, as
cargas elétricas da nuvem se dirigem para o solo (o
contrário também ocorre). Forma-se, então, o raio.
Existem três tipos de raios:
raios descendentes, que se formam nas nuvens e podem
atingir o solo (são os mais perigosos);
raios ascendentes, que partem do chão e, por meio de
torres e arranha-céus, chegam as nuvens (são raros);
raios entre nuvens (os mais comuns), que surgem da
diferença de polaridade dentro das nuvens;

11. Condutores e isolantes
Um fio elétrico é constituído de um material condutor
internamente e de um material isolante exteriormente.
Os condutores são materiais que permitem a movimentação
ordenada dos elétrons (ou de cargas positivas). Os metais são
bons condutores de eletricidade e são usados em fios e cabos,
além dos circuitos eletrônicos.
São considerados materiais isolantes aqueles que não
permitem a movimentação ordenada dos elétrons (ou de
cargas positivas), impedindo que o choque aconteça. Eles são
usados externamente nos cabos de eletricidade encontrados
nos aparelhos de televisão, no computador, no carregador do
celular, etc.
A figura ao lado mostra alguns exemplos de condutores e
isolantes.

12. A Terra é um grande condutor
Você sabia que a Terra é um grande condutor de
eletricidade?
Ela é capaz de ceder ou retirar elétrons de um corpo
quando necessário, deixando-os neutros.
Por essa razão, os aparelhos elétricos e eletrônicos
possuem um fio especial, chamado fio terra.
A função deste é permitir que elétrons em excesso em
um aparelho escoem para a Terra, deixando-os neutros
e evitando, assim, que as pessoas levem um choque
elétrico ao encostarem no aparelho.

13. Processos de eletrização
Na prática, um corpo pode ser eletrizado de três formas:
por atrito, contato ou indução.
1) Atrito
Atritando certos corpos entre si, pode ocorrer a
transferência de elétrons de um corpo para o outro. O
corpo que perde elétrons deixa de ser eletricamente
neutro e passa a estar eletrizado positivamente. O corpo
que ganhou elétrons passa a estar eletrizado
negativamente.
Vamos considerar o exemplo ao lado, onde um bastão de
vidro é atritado com um pedaço de lã. Consideremos que o
bastão possui 8 prótons e 8 elétrons e a lã possui 10
prótons e 10 elétrons

14. Processos de eletrização
No momento em que ambos são atritados, 2 elétrons do
bastão passam para a lã.
O bastão perde 2 elétrons e fica carregado positivamente com
carga +2 (8 prótons e 6 elétrons), enquanto a lã que recebeu 2
elétrons fica carregada negativamente com carga –2 (12
elétrons e 10 prótons).
Conclusão:
Na eletrização por atrito, a carga elétrica dos corpos possui o
mesmo módulo, porém com sinais contrários.

15. Princípio da conservação da carga elétrica
Em um sistema isolado, a quantidade total de carga elétrica permanece
constante. No exemplo do bastão de vidro e da lã, antes do atrito, ambos
estavam neutros. Portanto, a carga elétrica total do sistema era nula.
Carga elétrica do vidro: nula
Carga elétrica da lã: nula
Carga total do sistema (vidro + lã): nula
Após o atrito, a carga do bastão é +2 e a da flanela é –2. Portanto, a carga elétrica
total do sistema também é nula.
Carga elétrica do vidro: +2
Carga elétrica da lã: –2
Carga total do sistema (vidro + lã): +2 – 2 = 0
O princípio da conservação da carga elétrica é válido, ou seja, a carga elétrica do
sistema, antes e depois do atrito, permanece constante.

16. Processos de eletrização
2) Contato
Na eletrização por contato, pelo menos um dos corpos deve estar
eletrizado. Os exemplos a seguir mostram as duas situações
possíveis; consideremos os dois corpos com as mesmas
dimensões.
1ª situação – corpo eletrizado negativamente
Considere-se um corpo com carga –4 (apenas os quatro elétrons
em excesso estão representados) e um corpo neutro. Portanto,
como eles têm o mesmo tamanho, a metade dos elétrons em
excesso no corpo eletrizado passa para o corpo neutro.
O corpo neutro recebe os dois elétrons e se torna eletrizado
negativamente com carga –2, enquanto o corpo que cedeu os
dois elétrons se mantém eletrizado negativamente, mas com
carga –2.

17. Processos de eletrização
O princípio da conservação das cargas elétricas também é válido.
A carga total do sistema antes do contato era –4:
(–4 + 0 = –4)
e após o contato permanece constante em –4:
(–2 + (–2)) = –4

18. Processos de eletrização
2ª situação – corpo eletrizado positivamente
Considere-se um corpo com carga +4 (apenas os quatro prótons
em excesso estão representados) e um corpo neutro. Os prótons
não podem ser transferidos de um corpo para outro.
Nesse caso, ocorre a transferência do corpo neutro da metade
dos elétrons que falta para eletrizar o corpo carregado
positivamente.
O corpo neutro perdeu dois elétrons e fica eletrizado
positivamente com carga +2q enquanto o corpo que recebeu os
dois elétrons continua eletrizado positivamente, porém com
carga +2.

19. Processos de eletrização
O princípio da conservação das cargas elétricas também é válido.
A carga total do sistema antes do contato era +4:
(+4 + 0 = +4)
e, após o contato, permanece constante em +4:
(+2 + 2) = +4.
Em ambos os casos, as esferas ficam carregadas com cargas
iguais e de mesmo sinal.
Conclusão:
Na eletrização por contato, o corpo neutro adquire carga de
mesmo sinal do corpo eletrizado.

20. Processos de eletrização
3) Indução
No processo de indução, os corpos não entram em contato. Para
eletrizar outro corpo, um corpo carregado positivamente ou
negativamente é aproximado dele.
Vamos considerar a situação a seguir, em passos:

21. Processos de eletrização
1° - Considere uma esfera B condutora sobre um suporte
isolante. Aproxima-se um bastão A carregado negativamente.
Uma parte das cargas negativas na esfera é repelida, e as cargas
se distribuem de acordo com a ilustração ao lado:
2° - Até o momento, a esfera ainda não está eletrizada, pois
nenhum elétron foi acrescentado ou retirado dela. Para que isso
ocorra, liga-se um fio terra à esfera, e os elétrons em excesso
são transferidos para a Terra.
3° - Por fim, retira-se o fio terra e afasta-se o bastão. A carga
positiva se distribui uniformemente pela esfera. Esta se eletriza
com carga de sinal contrário ao do bastão.
Conclusão:
Na indução eletrostática, o corpo inicialmente neutro adquire
carga de sinal contrário à do corpo eletrizado.

22. Curiosidade - A Gaiola de Faraday
Qual o melhor lugar para se proteger de uma tempestade com raios?
Dentro de um automóvel! Em um condutor, as cargas elétricas se
distribuem pela sua superfície, ou seja, nenhuma carga elétrica se
situa no interior do condutor.
Simplificando, não há carga elétrica em movimento no interior do
condutor, e, mesmo que um raio atinja um automóvel, nada
acontecerá com a pessoa no seu interior. Esse dispositivo é conhecido
como gaiola de Faraday. Um avião também se comporta dessa forma:
quando passa por uma tempestade, os raios que o atingem, os
elétrons em excesso, são escoados para o ar.
A gaiola de Faraday também é conhecida como blindagem
eletrostática. A blindagem não permite que ondas eletromagnéticas
se formem no interior do condutor. Um celular enrolado em papel-
alumínio, por exemplo, não recebe ligações, mesmo que o sinal da
operadora esteja forte naquela região. Faça esse teste!