carga eletrica
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otima aula sobre carga eletricaTRANSCRIPT
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Aula-1 A carga eltrica e a lei de
Coulomb Curso de Fsica Geral F-328
1 semestre, 2013
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As foras fundamentais da natureza
Gravitacional (1/r2) Matria
Eletromagntica (1/r2) Cargas eltricas, tomos, slidos
Nuclear Fraca Decaimento radioativo beta
Nuclear forte Mantm o ncleo ligado (curto
alcance)
10-38
10-2
10-7
1
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Eletricidade (eletrosttica) Fenmeno j conhecido na Grcia antiga. Ao serem atritados,
determinados materiais (mbar, em particular), adquiriam a propriedade de atrair pequenos objetos (ao de uma fora eltrica).
Magnetismo (magnetosttica) Os gregos tambm sabiam que determinadas pedras (chamadas de
magnetita) atraam limalhas de ferro (ao de uma fora magntica).
Eletromagnetismo No sculo XIX, aps os trabalhos de Oersted e Faraday,
Maxwell escreveu as equaes que unificaram a eletricidade e o magnetismo, mostrando assim que ambos eram manifestaes de um mesmo fenmeno, o eletromagnetismo.
O eletromagnetismo
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Objetos em geral contm quantidades iguais de dois tipos de carga: positiva e negativa. Tais objetos so eletricamente neutros.
Vidro atritado com seda ou plstico atritado com l apresentam efeitos distintos.
Contudo, se por exemplo atritarmos um pente num tecido qualquer, h transferncia de carga de um para o outro e o pente fica carregado com um dos tipos de carga em excesso. Ele ento passa a atrair pequenos objetos.
A escolha dos sinais das cargas mera conveno.
A carga eltrica est presente em todos os objetos, sendo uma propriedade intrnseca das partculas que constituem a matria.
A carga eltrica
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Repetindo a experincia anterior com um basto de metal neutro, ao invs de vidro, observa-se que h cargas com grande mobilidade: eltrons, fluido (assim se pensava) de carga negativa.
Materiais como o cobre (metais) so chamados condutores, onde o excesso de carga concentra-se apenas numa determinada regio, ao contrrio dos isolantes, onde as cargas tm baixa mobilidade. Metais, solues e corpo humano so exemplos de condutores. Vidro, papel, borracha, plsticos e gua destilada so exemplos de isolantes.
A estrutura e a natureza eltrica dos tomos so responsveis pelas propriedades dos condutores e isolantes.
Condutores e isolantes
F328 1S2013 5 http://www.youtube.com/watch?v=r63e5y3Z3R8
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Antecipando a viso moderna da estrutura desses materiais
isolantes condutores semicondutores
H ainda os chamados supercondutores, onde o fluido eletrnico ocorre sem resistncia eltrica.
Condutores e isolantes
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Se a distncia entre duas cargas q1 e q2 for r, o mdulo da fora eletrosttica entre elas ser dado por:
Observa-se que cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. As foras formam um par de ao e reao ao longo da linha que une as cargas.
221 ||||
rqqkF = (Lei de Coulomb)
A lei de Coulomb - 1785
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r21 =
r2 r1
21221
21
021 4
1 rrqqF
=
x
21F
12
y
z
r2
r1
r21
21r
balana de toro
Vetorialmente:
12
1221 rr
rrr
=
(forma geral da Lei de Coulomb)
A lei de Coulomb
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Antecipando o conceito de corrente eltrica, a unidade de carga o Coulomb, que definida no SI como a carga transportada por uma corrente de 1 A que atravessa a seo reta de um fio durante 1 segundo.
dtidq =
No SI a constante eletrosttica k dada por
2
29
0 CN.m1099,8
41
k
A permissividade do vcuo, , dada por 0
2
212
0 N.mC1085,8
A lei de Coulomb
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A lei de Coulomb:
tomo de Hidrognio: |qe|=|qp|=1,610-19 C , r12 = 5,310-11 m (distncia mdia entre o prton e o eltron). me = 9,110-31 kg, mp = 1,6710-27 kg e G = 6,6710-11 N.m2/kg2 (constante universal gravitacional)
Fe = 8,2 x 10-8 N Fg = 3,6 x 10-47 N
Relao entre Fe / Fg 2 x 1039 Estruturas dos Materiais: interao entre cargas.
F = G m1m2r122 A Lei da Gravitao:
212
21
0
||||41
rqqF
=
Substituindo estes valores nas equaes acima:
Fora Eletrosttica vs Gravitacional
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Imaginemos 2 prtons dentro de um ncleo atmico, separados por uma distncia . Qual a acelerao que um prton adquire sob a ao da fora eltrica ente eles?
cm10 12d
N1023)10()106,1(100,9 1214219
92
2
=dekFel
g10sm1013
1067,11023 26
226
27
1
===
p
el
mFa
Se esta fosse a nica fora agindo sobre os prtons, o ncleo no poderia ser estvel. Quem mantm o ncleo estvel so as foras nucleares fortes.
!
Exemplo
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A fora sobre a carga devida a as outras (n-1) cargas :
A lei de Coulomb: 212
21
0
||||41
rqqF
=
Num sistema de n cargas: vale o princpio da superposio:
nFFFF 113121 ...
+++=
jiij FF
=
Observa-se que:
1F
(soma vetorial)
1q
31F
21F
1nF
12F13F nF1
nq3q
2q1q
Princpio da superposio
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+Q -Q +Q
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+
Exemplo (induo de cargas)
Movimento de cargas em um sistema de condutores: Induo
Duas esferas condutoras idnticas, eletricamente isoladas e muito afastadas.
A lei de Coulomb
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A quantizao da carga
A conservao da carga
Millikan determinou a carga elementar (eletrnica) como sendo e=1,610-19 C e portanto q=ne, onde n = 1, 2, ...
Mas a teoria do Modelo Padro das partculas elementares prev os quarks, que so partculas constituintes de prtons e nutrons, de carga 2e/3 ou e/3, porm de difcil deteco individual. O quantum de carga muito pequeno.
Em todos os processos que ocorrem na natureza, desde a transferncia de carga por atrito at as reaes entre partculas elementares, a carga total (soma das cargas positivas e negativas) de um sistema isolado sempre se conserva. Ex: decaimento radioativo, aniquilao, produo de pares, etc.
238U 234Th + 4He Z=92 Z= 90 Z=2
Propriedades das carga eltricas
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(decaimento radioativo: conservao de carga a nvel nuclear).
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Os exerccios sobre Carga Eltrica esto na pgina da disciplina : (http://www.ifi.unicamp.br). Consultar: Graduao Disciplinas F 328-Fsica Geral III
Aulas gravadas: http://lampiao.ic.unicamp.br/weblectures (Prof. Roversi) ou UnivespTV e Youtube (Prof. Luiz Marco Brescansin)
Lista de exerccios Captulo 21
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