Introdução
1. Magnetismo 2. Eletricidade 3.Eletromagnetismo 4. Ótica
Glossário 5. Medidas de grandezas fundamentais 6. Comparando tempos de queda 7. A Física "fala através da Matemática 8. Calor e temperatura
Física Experimental
Parte 2- Eletricidade
Eletrostática Eletrodinâmica - Como caminha a eletricidade Eletrostática

Material

Experiência 2.I
Para autoavaliação responda as perguntas em negrito
1) Esfregue a régua em cabelos secos e depois aproxime-a de pedacinhos de papel comum. O que acontece ?

2) Segure o canudinho em um pedaço de papel higiênico. Puxe com força e, depois, aproxime-o de pedacinhos de papel. O que acontece?

3) Pendure o papel de alumínio na beirada da carteira, com o auxílio da linha de costura (Fig. 6). Aproxime a régua e, depois, o canudo (anteriormente atritados), do papel alumínio . O que se observa?


Figura 6: Esquema de montagem.

4) Aproxime o ímã dos pedacinhos de papel e do alumínio. O que acontece? Procure dar uma explicação para o ocorrido, lembrando o "Projeto Magnetismo".



Complementação Teórica

As forças elétricas são devidas às cargas elétricas que fazem parte da matéria. Existem dois tipos de carga: positivas (+) e negativas (-). As cargas positivas se repelem entre si e as negativas também. No entanto, cargas positivas atraem as cargas negativas. (Fig. 7). As cargas elétricas podem se movem no interior dos corpos. Além disso, elas podem ser removidas da superfície dos corpos. Um dos processos de remoção é o atrito forte, a fricção.


Figura 7: Cargas de sinais iguais se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.

Os corpos, normalmente, estáo com as cargas em equillíbrio, isto é, a carga positiva é igual à negativa. O corpo, como um todo, parece não ter carga - é chamado de corpo neutro. Contudo, se atritamos o corpo, algumas cargas sáo arrancadas, passando para o objeto que lhe é atritado. Com isso o corpo atritado fica com um saldo de cargas - ele está carregado. Se o canudinho fica com carga positiva, ele irá atrair todas as cargas negativas que estiverem por perto, repelindo as positivas.

Quando aproximarmos um corpo carregado com cargas positivas de um não carregado as cargas irão se mover ao interior do corpo carregado. As cargas negarivas correm para o lado onde se encontra o corpo carregado e as cargas positivas são repelidas para o outro lado (este fenômeno chama-se "indução elétrica'). Com isso o corpo sofre a ação de uma força grande de atração, pois as cargas negativas estão próximas do corpo carregado, enquanto que as positivas (que causariam repulsão) estão distantes. Isto faz com que o corpo não carregado se aproxime (seja atraído) do corpo carregado (Fig. 8). Estas forças elétricas são de natureza diferente das forças magnéticas, razão pela qual o imã não demonstra nenhuma interação com o sistema elétrico.


Figura 8
As experiências de eletrização por atrito são conhecidas há mais de 2 mil anos. É evidente que naquele tempo não existia canudo de plástico, nem pente de plástico. Porém estes fenômenos ocorrem também no âmbar, o qual, em grego, se chama 'elektron'. Foi esta palavra grega que deu origem à nossa moderna 'eletricidade'.

A teoria moderna de eletrização é baseada no fato já estabelecido de que todos os corpos são formados por 'átomos'. Cada átomo contém um núcleo, tendo uma determinda carga elétrica positiva, que é devida à presença. no núcleo de partículas denominadas "prótons". Os prótons são fortemente ligados ao núcleo dos átomos, de modo que somente os elétrons passam de um corpo para outro, no processo de eletrização. Dessa forma, podemos dizer que um corpo está eletrizado quando possui excesso ou falta de elétrons. Se há excesso de elétrons, o corpo está eletrizado negativamente; se há falta de elétrons o corpo está eletrizado positivamente. Quando o corpo possui número de elétrons igual ao número de prótons, ele é dito neutro.

Eletrodinâmica - Como caminha a eletricidade

Material

Material do aluno Experiência 2.II
Para autoavaliação responda as perguntas em negrito
1) De posse da lâmpada de lanterna, da pilha e do pedaço de fio, ligue-os conforme mostra a figura 9. A lâmpada acende com alguma dessas montagens?



Figura 9: Esquema de montagem.

2) Descubra, pelo menos, duas montagens com as quais a lâmpada acendeu, substituindo, o fio cabinho por:
a.um fio de barbante
b.um fio de arame.
Em que situação a lâmpada acendeu ?

Nos casos em que a lâmpada acendeu, dizemos que o fio conduzia a eletricidade. Quando o fio tem condições de conduzir a eletricidade dizemos que ele é constituído de material "bom condutor", caso contrário, falamos em "mau condutor", ou "isolante". O fio de cabinho é feito de bom condutor revestido por isolante, para evitar fuga de eletricidade quando, por ventura, o cabinho encostar em algum bom condutor.

Quando a lâmpada acende, a eletricidade saiu de um extremidade da pilha, percorreu o fio condutor, atravessou a lâmpada e retornou à outra extremidade da pilha, percorrendo um "circuito elétrico" fechado.


Figura 10

3) Tome a lâmpada quebrada e analise como, em seu entender, deve ser a disposição na parte não visível, para que a eletricidade possa percorrê-la, atravessando o filamento (que se acende quando é superaquecido pela corrente elétrica). Faça um desenho, em corte, da situação.

4) Monte o cirucuito da figura 10, colocando no lugar de X, um de cada vez, os materiais indicados na tabela. À medida que experimentar, complete a tabela I.

Tabela I

Material A lâmpada acende É bom ou mau condutor
Plástico - -
Borracha - -
Cortiça - -
Grafite - -
Moeda - -
Lata - -
Isopor - -
Prego - -

Respostas Parte 2


Complementação Teórica

Quando por um cano passa uma quantidade de água durante um certo tempo, se diz que pelo cano circula uma "corrente de água". Da mesma maneira, quando por um fio condutor passa eletricidade durante certo tempo, diremos que pelo fio circula uma "corrente elétrica".

Vimos que o atrito pode separar as cargas elétricas e que estas podem se deslocar no interior da matéria. A corrente elétrica que se consegue atritando corpos é muito pequena. Correntes elétricas bem mais razoáveis se consegue com pilhas e geradores elétricos.

A corrente elétrica pode aquecer fios quando por eles passa. Um fio especial que chega a se aquecer muito, a ponto de emitir luz intensa, é o filamento das lâmpadas (Fig. 11).

Figura 11: Lâmpada incandescente.

Como se interpreta, eletronicamente, a passagem de eletricidade através do fio? Dizemos que pelo fio passam elétrons. Porém, os elétrons não percorrem totalmente o fio condutor, eles vão empurrando os "elétrons livres" que existem no fio condutor, até que obrigam um certo número de elétrons, igual ao que entrou por uma das extremidades, a sair pela extremidade oposta (Fig. 12). A existência desses "elétrons livres" no fio condutor deve-se à constituição química do material de que é feito o fio. Metais, por exemplo, apresentam um grande número de elétrons livres os quais, por não estarem presos ao núcleo dos átomos, têm muito mais facilidade de movimentar-se, garantindo assim o movimento de "empurrão" de uns elétrons sobre os outros. Ao contrário, existem materiais, como a borracha, que não possuem elétrons livres. Seus elétrons permanecem sempre ligados aos seus respectivos núcleos, não podendo, dessa forma, transmitir movimento para outros elétrons, também presos a núcleos.


Figura 12: A figura ilustra a corrente elétrica passando por um condutor.

Para os elétrons se movimentarem é necessário que sejam atraídos por uma extremidade do condutor, tal como os papeizinhos eram atraídos pelo pente (lembre Projeto I: Magnetismo). Chegando lá eles devem ser removidos para a outra extremidade do condutor, fechando o circuito. Para esta operação despende-se energia. Esta energia elétrica pode ser conseguida a partir de uma outra forma de energia, como a energia química das pilhas de lanterna ou a energia mecânica das quedas de água, que transformam energia mecânica na energia elétrica das usinas hidrelétricas. Também a energia elétrica pode transformar-se em outra forma de energia. É o caso da energia luminosa, que se origina no filamento da lâmpada quando é percorrido por uma corrente elétrica e o caso da energia calorífica de um chuveiro elétrico.

Para conseguirmos que o filamento da lâmpada emita luz devemos deixá-lo a uma temperatura acima de 1500 C. Para suportar esta temperatura devemos usar como material do filamento o tungstênio (o ferro fundiria) e deixar o filamento longe do oxigênio do ar (caso contrário ele queimaria). Para isto ele é colocado no interior do bulbo da lâmpada, onde se coloca gás que não contenha oxigênio (nitrogênio puro) e baixa pressão. Essa baixa pressão faz a lâmpada implodir com um "baque" quando ela cai no chão.

O CHOQUE ELÉTRICO

Uma corrente de 20mA (miliampère) que passa pelo corpo humano pode ser fatal. Para que isso ocorra a corrente elétrica deve entrar e sair pela epiderme, de alta resistência. No interior do corpo ela encontra no sangue um eletrólito de baixa resistência. A corrente que passa de um ponto a outro num mesmo dedo, ou de uma mão à outra é a mesma, ou quase, para uma dada voltagem. Uma corrente de valor considerável que atravessa o corpo humano provoca algo que se costuma designar por "choque elétrico"

O maior perigo do choque elétrico são os danos que ele causa ao sistema nervoso. Os impulsos nervosos que nosso cérebro envia para comandar os músculos são elétricos, também. Desta forma nosso corpo confunde a corrente elétrica do choque com impulsos que comandam movimentos. O choque pode "travar" o músculo que aciona a mão, que não se consegue abrir mais, nem largar o fio. Isto dá a impressão que a vítima "grudou" no fio elétrico.

Passando perto do coração, a corrente elétrica pode causar uma paralisia mortal desse. Se quisermos auxiliar uma pessoa que está sob efeito da corrente elétrica corremos o perigo que o "caminho da eletricidade" passe pelo nosso corpo também. A primeira providência, portanto, é tentar "desligar a força", ou então afastar o acidentado do fio com um pedaço de pau ou algum outro isolante elétrico.

O que limita a corrente é a alta resistência elétrica de nossa pele seca, que constitui quase (mas só quase) um isolante. A pele molhada de quem está tomando banho ou de quem tenha uma ferida aberta ou de alguém com uma bolha na mão, aumenta em muito o risco de um choque elétrico, pois a pele se torna um quase-condutor. Desta forma em alguns casos uma tensão de 220V pode ser inócua e, em outros, 110V já pode ser mortal. Tocar com um ponto apenas do corpo numa alta tensão não representa perigo, pois não há "caminho da eletricidade" fechado. São testemunhos disso os passarinhos que pousam em fios elétricos sem levar choque - eles não encostam no chão nem em outros fios e não há como fechar o caminho da eletricidade.

Nossa rede elétrica apresenta sempre uma diferença de potencial entre a fiação e a superfície terrestre, chamada de "terra" pelos eletricistas. O maior perigo representado por aparelhos elétricos domésticos consiste na possibilidade de ocorrer um contato acidental entre a carcaça do aparelho e a fiação interna. Com isso o "caminho da eletricidade" pode ocorrer do fio para a carcaça, daí para a mão do usuário, o pé deste e finalmente o chão, por onde retorna à subestação da companhia de Eletricidade. Isto é particularmente perigoso com um usuário molhado, debaixo de um chuveiro elétrico. Este acidente pode ser evitado se a carcaça for ligada diretamente à terra encurtando desta forma o "caminho da eletricidade", mesmo em caso de contato acidental no interior do aparelho. Instalações e aparelhos elétricos modernos sempre possibilitam esta ligação de "fio-terra", que não deve ser negligenciada.

Faíscas elétricas geradas por atrito, como as que ocorrem em roupa de acrílico em dia muito seco, às vezes correspondem a tensões superiores a 10.000V. Entretanto a própria faísca descarrega imediatamente o corpo, a corrente não se sustenta e, apesar de desagradável, não apresenta o menor perigo, não configurando o choque elétrico. Os potenciais na nossa experiência sobre Eletrostática também são da ordem de 10.000V e nem ao menos se chega a ver uma faísca.

Queremos enfatizar aqui a importância de o professor discutir este tipo de acidente com os alunos, pois muitas vezes pessoas envolvidas vieram a morrer por desconhecer o que estava ocorrendo. Se uma aula sobre este assunto ajudar a salvar uma única vida, todo este curso já terá valido a pena.

Relâmpago e trovão

Durante uma tempestade, verificou-se que ocorre uma separação de cargas elétricas, ficando as nuvens mais baixas eletrizadas negativamente enquanto que as mais altas, positivamente. Desta forma, tem-se a existência de um campo elétrico entre as duas nuvens. Entre as nuvens mais baixas e a Terra também tem-se a existência de um campo elétrico. À medida que as cargas vão se acumulando nas nuvens, a intensidade desse campo elétrico aumenta de tal valor, que a região entre as nuvens (ar) torna-se um condutor. Ocorrendo isso, uma enorme centelha elétrica (relâmpago) salta de uma nuvem para outra ou de uma nuvem para a Terra. Esta descarga elétrica aquece o ar ao seu redor, provocando uma expansão que se propaga em forma de onda sonora, originando o trovão.



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