ELETROSTÁTICA parte 1 A teoria atômica mostra que a corrente é, na verdade, um fluxo de cargas. A tensão da fonte é que provoca o movimento. Teoria Atômica

ELETROSTÁTICAparte 1

A teoria atômica mostra que a corrente é, na verdade, um fluxo de cargas. A “tensão” da fonte é que provoca o movimento.

Teoria Atômica

Carga Elétrica e Eletrização dos Corpos

EletrostáticaEstuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas em repouso.

O átomo

O núcleo é formado por: Prótons cargas elétricas positivasNêutrons não têm carga elétrica

Nas órbitas, estão osElétrons cargas elétricas negativas


A estrutura básica aplica-se a todos os elementos, porém, cada elemento apresenta uma combinação única de elétrons, prótons e nêutrons.O número de elétrons em qualquer camada depende do elemento. P.ex. o cobre (29 e-) na última camada tem somente 1 e-. A camada mais externa é chamada de camada de valência, e o elétron localizada nela denomina-se elétron de valência.

“Cargas elétricas de sinais contrários se atraem e de mesmos sinais se repelem.”

Símbolos q ou Q

Unidade de Medidacoulomb [C]

Módulo da carga do próton e do elétron:

C10x6,1q 19

Princípio da Atração e Repulsão


Lei de Coulomb

Duas cargas elétricas QA e QB interagem entre si com forças de mesma intensidade F, cujo valor é diretamente proporcional a constante eletrostática do meio K e ao produto das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.


2

BA

d

Q.Q.KF

em que:K= 9x109 N.m2/C2 (no vácuo e no ar)QA e QB = módulos das cargas em [C]d = distância em [m]

Como a lei de Coulomb indica, a força diminui de maneira inversamente proporcional ao quadrado da distância. Por causa dessa relação, a atração entre os e- nas órbitas mais externas e o núcleo é mais fraca do que nas órbitas internas, ou seja, os e- de valência são os menos fortemente atraídos, e se adquirem energia suficiente, escapam dos átomos de origem.

Elétrons Livre

A quantidade de energia necessária para escapar depende do número de elétrons na camada de valência. Se o átomo tiver poucos e- de valência, a atração entre esse e o núcleo será relativamente fraca, e só uma pequena quantidade extra de energia será necessária para escapar do átomo de origem e vagar de átomo em átomo por todo o material. Por outro lado, se a camada de valência estiver completa (ou quase), os elétrons de valência encontram-se mais fortemente atraídos pelo núcleo, apresentando poucos elétrons livres.


CondutoresMuitos elétrons livres à temperatura ambiente. Exemplos: cobre e alumínio.

Um condutor quando eletrizado, os e- livres distribuem-se na superfície externa pois, devido a repulsão mútua entre eles buscam assim o maior afastamento possível entre eles.


IsolantesPoucos elétrons livres à temperatura ambiente. Exemplos: ar, borracha e vidro.

Eletrização dos Corpos

A eletrização de um corpo neutro pode ser obtida:

Retirando elétrons de seus átomos

Inserindo elétrons em seus átomos

Carga de um corpo:

Q = n.q

em que: (carga de um elétron)n positivo = número de elétrons retiradosn negativo = número de elétrons inseridos

Cxq 19106,1

Processos de Eletrização

Contato

Indução

as cargas são geradas pelo atrito entre duas superfícies, sendo que pelo menos uma é isolante.

Corpos neutrosatrito

+ baixa umidade

Corpos carregados

Atrito

Corpo carregado

Corpo neutroCARREGADO

contato

Corpo carregadoCorpo

neutro

E

CARREGADO

indução

Princípio da Conservação das Cargas Elétricas

Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas elétricas positivas e negativas é constante.

Gerador eletrostático

Princípio da Força Eletrostática

Quanto menor a distância entre as cargas elétricas, maior é a força de atração ou repulsão entre elas.

d1

d2

Controle da eletricidade estática

O controle da descarga eletrostática tem três formas básicas:

Aterramento; Isolação; e Neutralização.

O objetivo é prevenir a geração das cargas estáticas e a dissipação das já existentes.

- Controle da eletricidade estática

1 - Aterramento – funciona quando condutores tornam-se carregado eletrostaticamente e, por meio de um sistema de conexão a um potencial de terra podemos escoar as cargas, neutralizando o seu potencial.

1 - Aterramento

Corpo carregadoDESCARREGADO

Terra de proteção

próximo


2 - Isolação – o aterramento não irá funcionar com materiais isolantes, então devemos manter a área de trabalho (componentes e equipamentos) o mais afastado possível de objetos isolantes, os quais podem armazenar grandes potenciais eletrostáticos que não podem ser aterrados por serem isolantes.

A isolação é conseguida pelo afastamento ou pela blindagem (barreira de material condutor devidamente aterrado).


3 - Neutralização – a isolação não pode ser 100%, em virtude de que materiais isolantes fazerem parte dos equipamentos – como por exemplo, a placa de circuito impresso, por isso a neutralização deve atuar em conjunto com a isolação.

A neutralização é executada normalmente por fluxo de ar ionizado sobre os objetos eletrostaticamente carregados, através de equipamentos denominados de ionizadores.

A neutralização não substitui os outros dois processos em virtude da velocidade de descarga do corpo carregado não prevenir a formação de elevados potenciais.

Fluxo de ar ionizado

3 - Neutralização

Corpo carregadoDESCARREGADO

Terra de proteção

Corpo aterrado

próximo

Sistema de proteção antiestático completo

1 - cobertura condutiva ou dissipativa; 2 - fita de aterramento; 3 - pulseira antiestática em contato com a pele; 4 - ventilador ionizador; 5 - resistor de 1Mohm; 6 - tapete antiestático.

4

1

2

3

5

6

1

2

3

56

CAMPO ELÉTRICO

Uma carga elétrica Q produz ao seu redor uma região afetada por sua presença denominada campo elétrico.

Campo Elétrico

Criado por cargas elétricas.

Representado por linhas de campo.

Símbolo E

Unidade de Medidanewton/coulomb [N/C]

Grandeza VetorialCampo Elétrico

A intensidade do campo elétrico E num ponto é diretamente proporcional ao módulo da carga elétrica Q, inversamente proporcional ao quadrado da distância d entre ela e o ponto considerado e depende da característica do meio.

2d

Q.KE

em que:K=9x109 N.m2/C2 (no vácuo e no ar)Q = módulo da carga elétrica em [C]d = distância em [m]unidade= N.m2.C = N

C2.m2 C

Comportamento das Linhas de Campo

Cargas de sinais contrários

Cargas de mesmo sinal

Campo Elétrico Uniforme.

Numa região do espaço existe um campo elétrico E criado por uma carga elétrica qualquer, uma outra carga elétrica puntiforme Q, imersa neste campo elétrico, fica submetida a uma força F.

APLICAÇÃO: Tubo de Televisão

A movimentação de e- é encontrada tanto na transmissão e recepção dos sinais de TV.

TRANSMISSÃO uma câmara de TV converte a cena de uma imagem ótica para um sinal elétrico, que é feito com um fino feixe de elétrons no tubo iconoscópico da câmera.

RECEPÇÃO a imagem é reconstruída usando um tubo de raios catódicos (TRC) existente no receptor de TV. Ao contrário do tubo iconoscópico, o qual produz um feixe de e- com intensidade constante, o feixe do TRC varia de intensidade de acordo com o sinal de entrada. O canhão de elétrons, mantido em alto potencial, dispara o feixe de e-. O feixe passa por dois grupos de placas para deflexões horizontais e verticais, de tal maneira que o ponto na tela no qual o feixe atinge pode ser movido para a direita ou para a esquerda e para cima ou para baixo. Quando o feixe de e- atinge a tela fluorescente, ele faz com que o ponto se ascenda. Assim, o feixe pode “pintar” a figura na tela da TV.

Trabalho realizado pelo Campo Elétrico

Consideremos uma carga de prova q colocada num ponto A de um campo elétrico; sob ação da força elétrica, essa carga irá se deslocar até um ponto B desse campo.

O campo elétrico irá realizar sobre esta carga um trabalho τAB. Uma propriedade importante do campo elétrico é que ele é conservativo, ou seja, o valor do trabalho realizado independe da trajetória.

Potencial ElétricoUma carga elétrica q, ao ser colocada num ponto A de um campo elétrico, adquire uma certa quantidade de energia potencial elétrica EP. Definimos o potencial elétrico do ponto

A através da relação:

Essa relação não depende da carga q utilizada, pois se mudarmos a carga mudaremos também o valor da EP, mas a relação EP/q, permanecerá constante.

Energia Potencial Elétrica de um par de cargas puntiformes

Seja Q e q duas cargas elétricas puntiformes, separadas por uma distância d, sendo q fixa.

Para determinar o valor da energia potencial elétrica adquirida pela carga q ao ser colocada no ponto A, temos que calcular o trabalho realizado pelo campo elétrico ao transportar a carga q do ponto A até o nível de referência.

Potencial Elétrico devido a várias cargas puntiformes

Para determinarmos o potencial elétrico num ponto A de um campo elétrico gerado por uma carga puntiforme Q, coloquemos neste ponto uma carga de prova q.


Demonstração

Potencial ElétricoNum campo elétrico cada ponto possui um potencial elétrico V que é diretamente proporcional ao produto entre a característica do meio K e a intensidade da carga q, geradora deste campo elétrico, e inversamente proporcional a distância d entre a carga geradora do campo elétrico e o ponto considerado, ou seja, onde há campo elétrico, há potencial para realização de trabalho.

d

Q.KV

em que:K=9x109 N.m2/C2 (no vácuo e no ar)Q = valor absoluto da carga elétrica em [C]d = distância em [m]Carga positiva potencial positivoCarga negativa potencial negativoUnidade = Volts (V)


Se tivermos uma situação na qual existem várias cargas puntiformes, o potencial num ponto P desta região será dado pela soma algébrica dos potenciais devido a cada uma dessas cargas.

Potencial Elétrico

EXERCÍCIOS

1) Qual o valor do potencial elétrico gerado por uma carga puntiforme Q = 6µC, situada no vácuo, num ponto A a 20 cm da mesma ?

2) Duas cargas puntiformes Q1 = 4 µC e Q2 = - 8µC estão separadas por uma distância d = 50 cm. Determinar: (a) o potencial elétrico resultante num ponto A, situado na reta que une as cargas e a 20 cm de Q1; (b) o valor da energia potencial elétrica das cargas.

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