Interacção electrostática e campo eléctrico

Electrização por Fricção

Porque é que o balão ficou “colado” à parede?

Série triboeléctrica

Celulóide

PVC

Teflon

Borracha

Nylon

Lã

Algodão

Âmbar

Cabelo humano

Mica

Vidro

Pele de coelho

Amianto

Série triboeléctrica

Maior facilidade

em receber

electrões

Esfregando uma fita de PVC com lã

Qual deles adquire carga negativa?

Série triboeléctrica

Celulóide

PVC

Teflon

Borracha

Nylon

Lã

Algodão

Âmbar

Cabelo humano

Mica

Vidro

Pele de coelho

Amianto

Série triboeléctrica

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:2. Existir um objecto carregado.3. Só os condutores podem ser carregados por influência.4. O objecto electrizado fica com carga oposta ao objecto indutor.5. 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

/ / C2 N-1 m-2Meio

80,27,1 X 10-10Água (25º C)

24,92,2 X 10-10Etanol (25º C)

2,2620 X 10-12Polietileno

1,00058,8595 X 10-12Ar

1,00008,8542 X 10-12Vácuo

Permitividade relativaPermitividade 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 ELÉCTRICOIntensidade: força eléctrica exercida por unidade de carga de prova (1 Coulomb)Direcção: a da força eléctricaSentido: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

150Atmosfera (troposfera)

1014Pulsar

1011Laser

10 000 000Membrana celular

3 000 000Disrupção do ar seco

10 000Relâmpago

1000Luz solar

0,01Fio eléctrico doméstico

E (N/C)Fonte

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.