Interacção electrostática e campo eléctrico
Electrização por Fricção
Porque é que o balão ficou “colado” à parede?
Série triboeléctricaSérie triboeléctrica
Amianto
Pele de coelho
Vidro
Mica
Cabelo humano
Nylon
Lã
Algodão
Âmbar
Borracha
Celulóide
PVC
Teflon
Maior facilidade
em receber
electrões
Esfregando uma fita de PVC com lã
Qual deles adquire carga negativa?
Série triboeléctricaSérie triboeléctrica
Amianto
Pele de coelho
Vidro
Mica
Cabelo humano
Nylon
Lã
Algodão
Âmbar
Borracha
Celulóide
PVC
Teflon
Maior facilidade
em receber
electrões
Esfregando uma fita de nylon com lã
Qual deles adquire carga negativa?
Condutores e Isoladores I
Nos condutores as cargas eléctricas têm tendência a distribuir-se uniformemente à sua superfície.
Uma das esferas é de cobre e a outra é de borracha. Identifica-as.
Esfera A Esfera B
A – borracha; B - cobre
Mas que entusiasmo …
Um beijo eléctrico: uma sensação especial
Diversão popular na corte do século XVIII
Experiência de Nollet (1746): uma “fila” de 600 padres (1 milha de comprimento)
ligados entre si por fios metálicos.
Jean-Antoine Nollet 1700-1770
Condutores e Isoladores II
Condutor Isolador
Nos condutores as cargas eléctricas têm liberdade de movimento.
Nos isoladores formam-se apenas dipolos resultantes de um afastamento dos centros de distribuição de carga positiva e negativa.
Moléculas polarizadas
Estrutura metálica
Electrões livres ou de condução
O electroscópio
Aproximando um corpo carregado negativamente
Aproximando um corpo carregado positivamente
Ligar à “Terra”
Descarregando um electroscópio carregado
positivamente
Descarregando um electroscópio carregado
negativamente
Electrização: contacto e indução
Carregar um electroscópio positivamente por contacto
Carregar um electroscópio por indução
Carregar um electroscópio negativamente por contacto
Reaproximando a barra de vidro
Se a barra de vidro for de novo carregada positivamente e reaproximada do electroscópio anteriormente electrizado, o que sucederá?
O ponteiro do electroscópio:
a) afasta-se da vertical.b) aproxima-se da vertical.c) mantém-se na mesma posição.
Electroscópio carregado por contacto com uma barra de vidro carregada positivamente.
a) afasta-se da vertical.
Electrização por influência IIndução de uma carga positiva numa esfera
Condições para haver electrização por influência:1. Existir um objecto carregado.2. Só os condutores podem ser carregados por influência.3. O objecto electrizado fica com carga oposta ao objecto indutor.4. A “Terra” deve ser utilizada.
Indução de uma carga positiva num electroscópio
Barra de vidro, novamente …
Electroscópio carregado por influência com uma barra de vidro carregada positivamente.
Se a barra de vidro for de novo carregada positivamente e reaproximada do electroscópio anteriormente electrizado, o que sucederá?
O ponteiro do electroscópio:
a) afasta-se da vertical.b) aproxima-se da vertical.c) mantém-se na mesma posição.b) aproxima-se da vertical.
Electrização por influência II
Carregar um sistema de duas esferas por indução
Carregar um prato de alumínio por influência
Escolhe a opção correcta
Qual das figuras representa a distribuição de carga eléctrica em três esferas condutoras (neutras) quando se aproxima da esfera X uma barra carregada positivamente?
Polarização de um isolador
F
F
Polarização
Polarização de um átomo
A nuvem electrónica que rodeia o núcleo é distorcida em resposta a um objecto carregado, sendo atraída ou repelida consoante a carga do objecto.
Nuvem electrónica
Distribuição uniforme do electrão em
redor do núcleo
Distribuição não uniforme
do electrão em redor do núcleo
Moléculas de água: orientem-se!
As moléculas de água são polares e orientam-se ao serem atraídas pelo objecto carregado.
Lei de Coulomb
221
eléctrica r
qqkF
As forças são simétricas e com a mesma linha de acção. O módulo da força eléctrica é directamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
Charles Coulomb 1736-1806
Balança de torção de Coulomb
Força eléctrica e permitividade do meio
221
eléctrica r
qqkF
A força eléctrica depende do meio. A cada meio atribui-se uma certa constante k.
4
1k é a permitividade eléctrica do meio e é inversamente proporcional a k.
ar-229
0 C m N 100,9(vazio) kk -228
água C m N 101,1C)25º (a k
Unidade S.I. de permitividade: F m-1 (farad por metro) = C2 N-1 m-2
Permitividade Permitividade relativa
Meio / C2 N-1 m-2 /
Vácuo 8,8542 X 10-12 1,0000
Ar 8,8595 X 10-12 1,0005
Polietileno 20 X 10-12 2,26
Etanol (25º C) 2,2 X 10-10 24,9
Água (25º C) 7,1 X 10-10 80,2
Ordena por ordem crescente de intensidade a força entre duas cargas a uma certa distância uma da outra nos seguintes meios: ar, água e álcool.
e Fk
Ordem crescente: água, álcool, ar.
Escolhe a opção correcta
Qual das figuras representa a força eléctrica entre uma partícula alfa e um núcleo atómico em função da sua distância de separação?
Escolhe a opção correcta
As esferas estão isoladas da mesa e a esfera 2 tem o triplo da carga eléctrica da esfera 1. Qual das figuras representa a forças de interacção entre as esferas?
Campo Eléctrico
0
eléctrica
q
FE
Unidade S.I.: N C-1 ou V m-1
Força eléctrica que a(s) carga(s) criadora exerce na carga de prova
Carga de prova
O campo eléctrico não depende da carga de prova.
CAMPO ELÉCTRICO
Intensidade: força eléctrica exercida por
unidade de carga de prova (1 Coulomb)
Direcção: a da força eléctrica
Sentido:o da força eléctrica exercida
sobre cargas de prova positivas
+eléctricaF
E
-eléctricaF
E
Carga de prova
Carga criadora
Campo eléctrico de uma carga pontual
e
0
20
0
eléctrica
qrQqk
Eq
FE
r
Carga criadora Q (positiva)
Carga de prova q0
+E
22 e
r
QkE
r
QkE r
eléctricaF
Explica a semelhança com a expressão do campo gravítico
Campo eléctrico e distância
Campo eléctrico versus distância
0
10
20
30
40
50
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
r , distância à carga criadora
Ca
mp
o e
léc
tric
o (
N/C
)
Como varia o campo eléctrico se a distância ao centro, r, aumentar n vezes?
O campo eléctrico diminui n2 vezes.
Linhas de campo eléctrico - carga positiva
Carga eléctrica positiva q1 Carga eléctrica positiva q2>q1
Carga eléctrica positiva q3>q2
Carga eléctrica pontual positiva: campo radial e centrifugo
Linhas de campo eléctrico - carga negativa
Carga eléctrica negativa q1 Carga eléctrica negativa maior em módulo
Carga eléctrica pontual negativa: campo radial e centrípeto
Carga eléctrica negativa ainda maior em módulo
+
eléctricaF
E
-eléctricaF
E
Carga de prova
Carga de prova
Linhas de campo eléctrico - duas cargas positivas
Duas cargas eléctricas positivas: q1= q2
As linhas de campo divergem (“saem”) das cargas positivas.
Duas cargas eléctricas positivas: q1< q2
Que diferenças existiriam se ambas as cargas fossem negativas?
As linhas de campo convergem (“entram”) nas cargas negativas.
Linhas de campo eléctrico - duas cargas de sinais opostos
As linhas de campo saem das cargas positivas e entram nas
cargas negativas.
Duas cargas eléctricas de sinais opostos: q2 com maior módulo
Duas cargas eléctricas simétricas: q1=- q2
DIPOLO ELÉCTRICO
Princípio da sobreposição
qE
qE
resultanteE
qE
qE
resultanteE
qE
qE
resultanteE
Campo eléctrico uniforme
+
eléctricaF
E
Carga de prova
+
eléctricaF
E
Carga de prova
+
eléctricaF
E
Carga de prova
+
eléctricaF
E
Carga de prova
E
E
E
E E
E
E
E E
E
E
E E
E
E E
E
E
E
E
E
Campo eléctrico constante em módulo, direcção (perpendicular às placas) e
sentido (da placa positiva para a negativa)
Condensador plano: armaduras com cargas simétricas
+Q
-Q
Dipolos num campo eléctrico uniforme
+F
-F
+ -F
F
+F
-F
+ -F
F
Alinhamento de moléculas polares na presença de um campo eléctrico
Intensidades de campos eléctricos
O tubarão detecta campos eléctricos fraquíssimos produzidos pelos
músculos da sua presa: 10-6 N/C
Fonte E (N/C)Fio eléctrico doméstico 0,01
Atmosfera (troposfera) 150
Luz solar 1000
Relâmpago 10 000
Disrupção do ar seco 3 000 000
Membrana celular 10 000 000
Laser 1011
Pulsar 1014
Experiência da gota de óleo de Millikan (1909)
Robert Millikan1868 - 1953
Prémio Nobel 1923
Mediu a carga elementar (módulo da carga do electrão).Mostrou que a carga estava quantizada.
C 101,6e -19
... e,5 e,4 e,3 e,2 e, Cargas possíveis:
Condutores electrizados em equilíbrio electrostático
A componente de E paralela à superfície originaria movimento
de cargas: não existiria equilíbrio.
No equilíbrio electrostático não pode existir componente
paralela de E.
Num condutor em equilíbrio, o campo
eléctrico é, em cada ponto, perpendicular à superfície.
Qual o campo no interior?
A carga eléctrica distribui-se apenas pela
superfície exterior do condutor. A carga
eléctrica no interior é nula. O campo
eléctrico é nulo no interior
Condutor neutro em equilíbrio num campo eléctrico uniforme.
As cargas eléctricas induzidas à superfície contribuem para o campo eléctrico resultante exterior.
Distribuição de cargas e poder das pontas
A carga tende a acumular-se nas regiões de maior curvatura (maior
convexidade).Logo o campo eléctrico é aí muito mais intenso.
Curvatura (convexidade) crescente
Raio de curvatura crescente
Poder das pontas e pára-raios
Casas sem pára-raios Uma casa com pára-raios
A presença do pára-raios permite uma descarga gradual da carga da nuvem, evitando uma descarga súbita e explosiva característica dos relâmpagos.
A carga eléctrica das nuvens induz uma carga oposta no solo.
O campo eléctrico de disrupção do ar seco é cerca de 3 x 106 C.
Campo eléctrico entre o pára-raios e a base da nuvem.
Esfera oca condutora
Se adicionarmos um milhão de electrões a uma concha esférica metálica (esfera oca), então no estado de equilíbrio:
A. Todos os electrões se encontram na superfície interior.
B. Todos os electrões se encontram na superfície exterior.
C. Os electrões distribuem-se igualmente pelas duas superfícies.
D. Na superfície exterior existem mais electrões.
E. Na superfície interior existem mais electrões.
Considera duas esferas condutoras carregadas
positivamente e em contacto. Qual das esferas
terá maior densidade de carga (carga por
unidade de área de superfície)?
A. Todos os electrões se encontram na superfície interior.
B. Todos os electrões se encontram na superfície exterior.
C. Os electrões distribuem-se igualmente pelas duas superfícies.
D. Na superfície exterior existem mais electrões.
E. Na superfície interior existem mais electrões.
Duas esferas condutoras
A esfera de menor raio.