Carga elétrica

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Agradescimentos

O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de expressar o seu

agradecimento as editoras LTC (Livros Técnicos e Científicos), Pearson Education

e AMGH. Parte das figuras utilizadas nos slides foram obtidas dos livros textos

”Fisica” de Tipler & Mosca, “Fundamentos de Física” de Halliday, Resnick e

Walker e “Física III” de Young & Freedman, “Física para Universitários” de Bauer,

Westfal e Dias, através do acesso ao material de apoio para os professores

facilitados por essas editoras.

Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Acúmulo de cargas elétricas

No tempo seco, os pedacinhos de papel são atraídos pelo pente

Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)

Pedacinhos de papel atraídos pelo pente

A menina está parada em cima de uma plataforma que a isola elétricamente do solo

e, assim ela acumula carga devido ao contato com a cúpula de um gerador de Van de Graaff. Seu cabelo levanta porque as cargas nos fios de cabelo têm o mesmo sinal e

cargas iguais se repelem mutuamente.

Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009) ©2008 by W.H. Freeman and Company

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Carga eletrica

Filtro de ar eletrostático

Uma filtragem prévia retém as

partículas maiores da sujeira no

ar. As menores passam por uma

grade eletrificada aquirindo uma

carga positiva. As partículas são

repelidas para um segundo

precipitador, fixando-se na sua

malha.

Cutnell & JohnsonPhysics

(3rd edition. Wiley 1995)

Filtro eletrostático

Os gases passam entre duas

eletrodos verticais carregados. As

partículas se carregam com os

elétrons do eletrodo negativo e são

atraídas ao eletrodo positivo. As

partículas se acumulam e fluem para

o fundo do coletor. Esta técnica

remove aerosols (partículas

menores que 10-3 mm) e partículas

maiores

C.H. Snyder, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things (Wiley 1995)

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Pára-raios

Ele está aterrado de forma que possa conduzir elétrons do solo para as nuvens

carregadas positivamente, neutralizando-as.

Lei de Coulomb

A força que uma carga exerce sobre outra

Cutnell & Johnson, Physics (3rd edition. Wiley 1995)S. Parker, Eletricidade, Coleção Aventura na Ciência (Editora Globo, 1994)

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Tomada de parede

Os conetores arredondados estão conectados a um bastão metálico que está

enterrado no solo.

Gotículas de tinta com carga negativa são borrificadas. O metal a ser pintado é

aterrado. Quando as gotículas se aproximam aparecem cargas induzidas de sinal

oposto na superfície do objeto a ser pintado, e atraim as gotículas a superfície. Este processo minimiza as perdas e a dispersão das gotículas de tinta.

Sears & Zemansky, FísicaH.D. Young, R.A. Freedman

(10ª ed, Pearson 2004)

Gotículas de tinta com carga negativa são borrificadas. O metal a ser pintado é

aterrado. Quando as gotículas se aproximam aparecem cargas induzidas de sinal

oposto na superfície do objeto a ser pintado, e atraim as gotículas a superfície. Este processo minimiza as perdas e a dispersão das gotículas de tinta.

Sears & Zemansky, Física. H.D. Young, R.A. Freedman (10ª ed, Pearson 2004)

Carregando uma esfera metálica por indução

Quando o Fe está exposto a água, ocorre um processo de oxidação Fe(s) → Fe2+ + 2e-

Os íons Fe2+ reagem com os íons hidroxila, Fe2+ + 2(OH) → Fe(OH)2 o qual oxida

facilmente por O2, dando Fe(OH)3. A desidratação deste leva a formação de ferrugem

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

Uma forma de prevenir a corrosão é usar uma proteção catódica , colocando o Fe em

contato com um metal que oxide mais facilmente (como o Zn)

Aplicação: cathodic protection

Brady + Holum, Chemistry (Wiley 1993, Ebbing, General Chemistry (1993))

Imagens:WikipediaCathodic Protection

Coleção Aventura na CiênciaEletricidade

(Editora Globo, 1994)

O uso das cargas: xerografia

do Grego: xeros e graphos, que significa “escrita em seco”

Máquina fotocopiadoraO cilindro de alumínio possui uma camada

de selênio, metal fotocondutor (fica condutor quando exposto a luz).

1 - o eletrodo carrega a superfície de Se

2 - As lentes enfocam a imagem no tambor. As áreas iluminadas reproduzem a figura

3 - O toner (de carga -) espalhado no tambor

adere a região da imagem (carga +)4 - Transferência do toner para o papel

5 - A imagem é fixada por aquecimento.

Cutnell & JohnsonPhysics

Impressora laser

Seu funcionamento é semelhante ao de

uma máquina fotocopiadora.

Os dados transferidos do computador

são copiados no cilindro de alumínio por

um laser . Este varre a superfície do

cilindro gravando a imagem de carga

positiva. A operação é governada por

um modulador, que deixa ou não passar

a luz que incide no cilindro.

Cutnell & Johnson, Physics(3rd edition. Wiley 1995)

Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)

Impressora a laser

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Eletroscópio:

Duas folhas de ouro pressas a uma coluna condutora.

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Carga por indução:

Condutores neutros em contato tornam-se carregados com cargas opostas

quando um bastão atrai elétrons para a esfera esquerda.

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Indução através de aterramento

Quando o condutor é aterrado, os elétrons da Terra neutralizam a carga positiva da

face da esfera que está distante do bastão. O condutor fica carregado negativamente.

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Charles Coulomb (1736 – 1806)

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Força elétrica no átomo de hidrogênio

O eletron está separado do próton por uma distância r = 53 pm.

Calcule a força eletrostática de atração

Halliday, Resnick & WalkerFundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

(a) Dois bastões carregados com cargas do

mesmo sinal se repelem

(b) Dois bastões carregados com cargas de

sinais opostos se atraem

Os sinais + e - indicam um excesso de cargas

positivas ou negativas, respectivamente

Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Uma barra de cobre isolada da

Terra. Qualquer das extremidades

da barra é atraída por um bastão

de plástico eletricamente

carregado.

A carga + da barra é atraída pela

carga – do bastão, e faz girar a

barra de cobre

Young & Freedman, Sears & Zemansky Física III (Pearson, 2009)

(a) bola condutora suspendida por um fio isolante sobre um recipiente condutor.

(b) a bola carregada induz cargas no interior e no exterior do recipiente

(c) Quando a bola toca o recipiente, ela passa a fazer parte da superfície interna:

toda a sua carga é transferida para o recipiente

Experiência do balde de gelo de Faraday

Halliday, Resnick & WalkerFundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

A carga é conservada

Trilhas de pequenas bolhas deixadas por um eletron (e ) e

sua antipartícula, o pósitron (e ), numa câmara de bolhas.

O par de partículas foi produzido por um raio γ que entrou na

câmara (parte inferior da fotografia). Como o raio γ é

eletricamente neutro, não produz trilha.

O raio gama se transformou em um elétron e um pósitron ao

interagir com uma partícula na câmara. As trilhas são curvas

porque existe um campo magnético no interior da câmara.

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company

Cobre: material condutor

Referências bibliográficas

Tipler & Mosca. Física para cientistas e engenheiros. Volume 2 (Editora LTC)

4a edição (2000), 5a edição (2006) ou 6a edição (2009)

Halliday, Resnick & Walker. Fundamentos da Física (LTC, 8a ed. 2009, 9a ed. 2012)

Halliday, Resnick & Krane. Física 3 (LTC, 5a ed. 2004))

Young & Freedman, Sears Zemansky Física III (Pearson, 10a ed 2003, 12a ed 2008)

Serway e Jewett. Princípios de Física, vol. 3: Eletromagnetismo (Cengage, 2004)

Bauer, Westfall. Dias, Física para universitários: Eletricidade e Magnetismo (AMGH, 2012)