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Sabemos o quanto a energia elétrica é essencial para a vida moderna e o quanto dependemos dela para que o mundo ao nosso redor funcione.

A eletricidade é a parte da física que estuda fenômenos relacionados à cargas elétricas presentes nos átomos.  

Podemos dividir os estudos em eletricidade em 3 categorias:

• Eletroestática: estudo das cargas elétricas em repouso. Aqui falamos sobre tipos de eletrização, força eletrostática, campo elétrico e potencial elétrico. • Eletrodinâmica: estudo das cargas elétricas em movimento. Aqui falamos sobre corrente elétrica e circuitos elétricos com os seus componentes (resistores, geradores e capacitores). • Eletromagnetismo: estudo que relaciona fenômenos elétricos e magnéticos, como a corrente elétrica produzida pela variação de campo magnético, e o campo magnético gerado por uma corrente elétrica.

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Eletrostática

 Os smartphones fazem parte do nosso dia-a-dia, estamos sempre junto deles seja para ouvir música, acessar aplicativos, assistir vídeos ou conversar com os amigos. Ao longo do dia e com o uso contínuo nossos aparelhos começam a indicar bateria baixa e assim partimos em busca de um carregador a fim de garantir o uso do aparelho na sala de aula, no ônibus de volta para casa entre outros.

Os carregadores simples que utilizamos funcionam como fonte de alimentação para os celulares. Quando o ligamos na tomada estamos utilizando de energia elétrica para alimentar a bateria de nosso aparelho. A tensão fornecida (110 ou 220 V) transforma a corrente elétrica alternada em contínua alimentando o aparelho.

A energia elétrica é essencial para a vida moderna e dependemos dela para que o mundo ao nosso redor funcione. Porém, antes de compreendermos os processos pelos quais a corrente elétrica e tensão elétrica nos fornecem energia elétrica para acendermos nossas luzes e ligarmos nossos aparelhos precisamos falar sobre cargas elétricas.

 Cargas Elétricas

 Os segredos sobre a eletricidade passaram a ser desvendados no final do século XIX e XX com as descobertas sobre a estrutura do átomo.

Quando falamos do átomo estamos falando de uma coisa que não podemos ver e sim tentar imaginar como funciona através de uma analogia.

É impossível descrever um átomo como ele realmente é, podemos então criar uma ideia ao compara-lo com algo que pode ser descrito e entendido, ou seja podemos criar um modelo.

Exemplo de modelo atômico, o modelo atômico de Thomson – Web Info Brasil: 2015

 Todos os corpos e objetos são formados por átomos. Porém, os átomos são compostos por partículas, sendo as elementares: o próton, o elétron e o nêutron. Seguindo a lógica do modelo planetário de Rutherford, podemos dizer que prótons e nêutrons estão ligados fortemente no núcleo do átomo, enquanto os elétrons giram ao redor do núcleo como os planetas giram ao redor do Sol, formando a eletrosfera.  

Elétrons girando em torno do núcleo atômico – Sci Tech Daily: 2014

 Por meio de vários experimentos foi possível notar que prótons e elétrons tanto se atraem como se repelem. Sendo assim, foi convencionado que elétrons e prótons possuem uma propriedade física chamada de carga elétrica. Porém, seus comportamentos elétricos são diferentes. Assim temos:

•             Próton – carga elétrica positiva

•             Elétron – carga elétrica negativa

•             Nêutron – não possui carga elétrica

 Em um átomo eletricamente neutro temos a mesma quantidade de prontos elétrons. No núcleo, a força de repulsão que os prótons oferecem aos elétrons é equilibrada em razão de uma outra força, a força nuclear. Essa força não possui natureza elétrica ou gravitacional e mantêm prótons e nêutrons unidos. Pela forma que os elétrons estão dispostos no átomo possuem capacidade de abandonar ou de se juntar a um átomo.

Quando um átomo recebe ou perde um elétrons dizemos que ele perde sua neutralidade. Assim, irá adquirir ou carga negativa ou carga positiva, pois irá ou ficar com mais cargas negativas ou mais cargas positivas. É essa característica dos elétrons que de se transferirem de um átomo para o outro que explica a eletrização por atrito.

 Princípios de Eletroestática

A eletroestática é um campo da física que estuda a ação mútua e propriedades das cargas elétricas sempre tendo como referência um sistema inercial de referência.

Vamos começos pelo princípio de atração e repulsão.

É pelo princípio de atração e repulsão que percebemos que dois corpos eletrizados com mesmos sinais irão se repelir e dois corpos eletrizados com sinais diferente irão se atrair. A eletroestática também nos traz outro princípio, o princípio da conservação das cargas elétricas. Onde num sistema que está isolado eletricamente, a soma algébrica das quantidades de cargas positivas e negativas é sempre constante.

De acordo com esse princípio a quantidade de carga elétrica total é a mesma antes e depois da troca. Essa igualdade apenas é válida, porém, quando estamos falando de um sistema eletricamente isolado, ou seja, que não apresenta troca de cargas elétricas com o meio exterior.

 Eletrização

Para prosseguirmos com os processos de eletrização precisamos primeiramente introduzir os conceitos de condutores e isolantes.

Quando seguramos um bastão de vidro por uma de suas extremidades e atritamos a outra com um pano de lã, apenas a extremidade que atritamos será eletrizada.

Isso ocorre porque as cargas elétricas em excesso ficam localizadas na região atritada e não se espalham pelo bastão de vidro.

Materiais com o vidro que possuem a capacidade de conservar cargas elétricas onde elas surgem recebem o nome de isolantes. Já materiais onde as cargas se espalham imediatamente, como metais, recebem o nome de condutores.

No caso dos condutores de metal o elétrons que se encontram mais afastados do núcleo, ou sejam que sofrem com menos intensidade a força de atração dos prótons, ficam fracamente ligados à ele. Então, quando sofrem a ação de uma força deixam o átomo e se movem. Esses são chamados de elétrons livres.

A quantidade de carga presente em um elétron é a mesma presente em um próton. E é por este motivo que os átomos são, em circunstâncias normais, neutros. Para cada próton com carga positiva deve haver um elétron com carga negativa, ou seja, as cargas se cancelam ou se neutralizam. Ao friccionar um bastão de vidro com um fio a um pedaço de lã iremos notar que o bastão será atraído pelo pedaço de lã.

IFSC - 2015

Notamos que as forças observadas nessa experiência são tanto de atração como de repulsão. Essas forças se mostram diferentes da força gravitacional que é sempre atrativa.  Na experiência do vidro e da lã percebemos que ele se eletrizam por atrito a recebem cargas elétricas de sinais opostos. Vemos, então, que a carga elétrica pode ser quantificada, pois, os corpos podem tanto ceder ou receber elétrons em menor ou maior quantidade.

A medida de quantidade de carga que um determinado corpo adquire tem o nome de quantidade de carga elétrica sendo representado pela letra Q ou q.

Ainda sobre a eletrização por atrito podemos falar que os corpos além de receberem cargas de sinais opostos, apresentam quantidades de cargas elétricas de mesmo valor absoluto.

A Terra e o corpo humano são bons exemplos de condutores. Por isso, quando atritamos um bastão de metal segurando-o com nossas mãos, os elétrons em excesso se espalham pelo bastão, pelo corpo humano e finalmente na Terra.

Portanto, quando um corpo eletrizado se liga à Terra ele perde sua eletrização.

Isso ocorre porque quando um corpo está positivamente eletrizado e isolado, elétrons vêm da Terra e sobem para ele o neutralizando. Quando um condutor está na situação oposta, isolado eletricamente negativo, elétrons saem dele para a Terra. Assim, dizemos que o condutor descarregou e perdeu sua eletrização. Quando temos dois condutores, um eletrizado e outro neutro, o condutor neutro se eletriza com a mesma carga do condutor eletrizado.

Caso o segundo condutor seja feito de um material isolante, a carga não irá se espalhar ao longo de sua superfície. Dessa forma, a carga irá  se conservar na região de contato. Se os condutores forem da mesma forma e tiverem as mesmas dimensões,  duas esferas de mesmo raio, após o contato as cargas serão iguais.  

Chamamos esse tipo de eletrização de eletrização por contato.

A   eletrização por indução irá ocorrer quando aproximamos de um condutor neutro, um condutor eletricamente carregado. Alguns elétrons livres do condutor neutro serão atraídos pelo outro condutor e se acumularão na região mais próxima do condutor eletrizado.

Esse fenômeno que separa as cargas de um condutor ao simplesmente estar na presença de outro recebe o nome de indução eletroestática, sendo o primeiro condutor um indutor e outro o induzido.

Ao afastar o indutor, o induzido voltará a sua condição inicial. Para que o induzido seja eletrizado, é necessário aproxima-lo do indutor.

•             Com induzido e indutor próximos liga-se o induzido à Terra ao toca-lo. Ao ligar o induzido à Terra, as cargas elétricas vão da Terra para o induzido e neutralizam a carga positiva que foi induzida. Sendo assim, graças a ligação com a Terra, as cargas do induzido foram neutralizadas e agora o induzido possui a mesma carga do indutor.

•             Ainda próximo do indutor desfaz-se a ligação com a Terra.

•             Afastamos o induzido, assim os elétrons em excesso irão se espalhar. Dessa forma o induzido fica eletricamente negativo.

Quando eletrizamos por indução, o induzido irá se eletrizar com a carga de sinal contrário à do indutor e a carga do indutor não sofre alteração.

Existem dispositivos chamados eletroscópios. Esses dispositivos são utilizados para verificar se um corpo está eletricamente carregado ou não. Uma forma de eletroscópio é o pêndulo elétrico, que é formado por uma esfera de algum material leve, como isopor, que é revestida por uma camada metálica e suspensa por um fio isolantes, como o náilon em um suporte.

Vivaldiagem: 2013

 Para verificarmos se algum corpo está eletrizado ou não basta aproxima-lo do pêndulo. Se a esfera não se mover, o corpo está neutro, se a esfera for atraída, o corpo está eletrizado. Outro modelo de eletroscópio é o eletroscópio de folha. Ele é formado por duas lâminas metálicas que são ligadas por uma haste condutora a uma esfera metálica.

Portal do professor

 Para verificarmos se o corpo está eletrizado ou não, basta aproximarmos um objeto da esfera. Caso as lâminas metálicas se abrirem, o corpo está eletrizado.

 Força Elétrica

Chamamos de carga elétrica puntiforme um corpo sofrendo processo de eletrização o qual podemos desprezar suas dimensões em relação à distância que o separam de outros corpos também eletrizados.

Quando consideramos duas cargas elétricas puntiformes Q1 e Q2 separadas por uma distância d no vácuo temos uma força agindo entre elas, seja de atração ou de repulsão. Atração se possuírem sinais diferentes e de repulsão se possuírem sinais iguais. A intensidade dessa força depende da distância entre as cargas e também dos valores das cargas. Esses fatores forem percebidos e testados experimentalmente pelo físico francês Charles Coulomb que estabeleceu a chamada Lei de Coulomb:

 A intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricas puntiformes é diretamente proporcional ao produtos dos valores das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

 A partir desse enunciado podemos escrever que:

 Nessa fórmula utilizamos o valor absoluto de Q1 e Q2, assim, seus sinais irão indicar se a força é de atração ou repulsão.

No SI a unidade para carga é o Coulomb (C). A constante k de proporcionalidade irá depender do meio onde as cargas e do sistema de unidades que se usa. No caso do vácuo, utilizamos a constante k denominada de constante eletroestática do vácuo ou constante eletroestática.

Da fórmula da força eletroestática podemos definir a unidade de k:

Daí temos:

Experimentalmente chegamos que a constante eletrostática equivale a aproximadamente 9.109 .