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Eletrostática

              É a parte da física, da eletricidade,  que estuda as cargas em repouso.
AULA 1- Introdução a Eletrostática:



AULA 1- Lei de Coulomb:

AULA 2- Campo Elétrico:

  1)      Carga elétrica (q): é o nome dado ao elétron e ao próton no estudo da eletricidade. De acordo com sua quantidade dessas cargas o corpo pode estar no estado neutro, carregado negativamente ou positivamente. A unidade de medida das cargas é o Coulomb (C).

Obs: - A razão entre a massa do elétron (m) e sua carga absoluta (q) foi determinado por Thomson e vale, aproximadamente

5,70.10-12kg/C.   

           - A carga elementar (e), que é a menor carga elétrica e assim indivisível, vale aproximadamente 1,602.10-19C.        

         - Para determinar a quantidade de cargas elementares fluindo em um determinado corpo utilizamos Q = ne , onde n é

numero inteiro de elétrons que dado corpo tem em excesso ou em falta. Por n ser inteiro dizemos que a carga elétrica é quantizada.

Com isso, pode mos determinar a massa do elétron que vale, aproximadamente, m = 9,13.10-31kg.

 

2)      Principio da Atração e da Repulsão

  A análise desse princípio é determinado através das cargas que estão envolvidos no processo, ou seja, para que este princípio

funcione é necessário ter pelo menos dois corpos eletrizados ou não.

  Para corpos eletrizados com cargas diferentes teremos o fenômeno da ATRAÇÃO, já para corpos eletrizados com mesma

carga teremos o fenômeno da REPULSÃO.

Ex:    

        EletrostaticaAtracaoRepulsao.jpg

3)      Condutores e Isolantes ou dielétricos

  A diferença entre o Condutor e o Isolante ou dielétrico é que o primeiro transmite bem a eletricidade ou o fluxo de cargas e

o segundo não é um bom transmissor de cargas, de eletricidade. Esse fluido de cargas está diretamente ligado a transmissão

de elétrons livre ou de elétrons de condução, ou seja, esses são os elétrons que estão mais distantes do núcleo, assim

facilitando o transito no interior dos materiais.

  Obs:  - Existem ainda os materiais ditos semicondutores, esses são especiais, pois podem se tornar excelentes condutores

bastando alterar sua estrutura adicionando outro material se transformando em uma liga. Exemplo disso é adicionar uma

pequena quantidade de boro, aproximadamente 10-5%, no material semicondutor como o silício.

              - Quando o fluxo de cargas ou eletricidade flui pelo condutor ou pelo isolante estes aquecem. Isto acontece

porque as cargas elétricas ao fluírem pelo corpo tentam passar pelas partículas que compõem o condutor ou isolante,

a este fenômeno é chamado de Efeito Joule.  

4)      Processos de Eletrização  

Para que os processos de eletrização ocorram é necessário dois ou mais corpos, ou seja, tais processos tem como

conseqüência a transferência de cargas entre os corpos. Genericamente, quando os corpos estão submetidos a um dos

processos há transferência ou separação das cargas desses corpos.  

Os processos de eletrização são divididos em: por Atrito, por Indução e por Contato.  

Por Atrito: Acontece quando dois corpos de materiais diferentes e isolados são atritados entre si, então após esse contato

e ao separá-los os corpos adquirem cargas diferentes, ou seja, haverá um desbalanceamento das cargas dos corpos, um

estará eletrizado positivamente e outro negativamente. Ex:     

 

   

Obs: Na eletrização de corpos isolados não há criação de cargas, apenas transferência de cargas entre os corpos, a isso

esta ligado o principio de conservação das cargas elétrica, ou seja, em um sistema isolado com corpos eletrizados, a soma

de todas as cargas de todos os corpos permanece constante.  

Por Contato: acontece, em um sistema isolado, quando um corpo eletrizado é colocado em contato com outro corpo

neutro, assim ao separá-los o corpo neutro adquire eletrização positiva ou negativa dependendo da eletrização do corpo

eletrizado antes do contato, ou seja, o corpo neutro após o contato ficara com o mesmo sinal do corpo eletrizado antes do

contato. Ex:

    

 

Obs: - Se os corpos tiverem o mesmo tamanho, as mesmas dimensões, após o contato tais corpos possuíram o mesmo

numero de cargas, ou seja,  

(Q1  + Q2 )/2  

         - O planeta Terra é considerado um condutor universal devido ao seu tamanho, então se o corpo eletrizado for conectado com a Terra as cargas em excesso no corpo fluíram para Terra e consequentemente , o corpo ficará neutro.  

Por indução: Ocorre quando o corpo eletrizado é aproximado, sem contato, de um corpo neutro onde as cargas desse

corpo são separadas temporariamente, ou seja, se um corpo eletrizado negativamente for aproximado de um corpo neutro,

as cargas negativas desse corpo se afastaram das cargas negativas do corpo eletrizado por causa da repulsão. Ex:  

 

 

5)      Lei de Coulomb  

Desta forma, podemos determinar as grandezas físicas relacionadas a esse fenômeno com a expressão

   , onde k que é a constante eletrostática vale 9.199N.m2/ C2  

      Obs: Ao considerar a multiplicação das cargas sem o módulo, o resultado da força elétrica determinada com a Lei de Coulomb diz se as cargas foram atraídas ou repelidas, ou seja, considerando o sinal das cargas no cálculo da força elétrica, caso o resultado seja positivo as cargas sofreram repulsão, caso seja negativo as cargas se atraíram.  

                  Ainda podemos considerar que o meio onde as cargas estão inseridas influencia na força elétrica, ou seja, a força elétrica depende da constante dielétrica do meio, para isso basta fazer a razão entre a força elétrica das cargas no vácuo e a constante dielétrica do meio no outro meio, quanto maior esta constante menor a força elétrica.  

6)      Campo elétrico e potencial elétrico  

Campo elétrico (E): é gerado quando o fluxo de cargas flui no corpo, ou seja, o campo elétrico surge na região ao redor desse condutor eletrizado, ele preenche toda a região do condutor eletrizado e desta forma podendo interagir com o campo elétrico de outros condutores eletrizados. Nessa dita região, a energia armazenada pode ser utilizada. Ainda podemos analisar que esta energia vai enfraquecendo à medida que se distancia do condutor.  

O campo elétrico nas cargas positivas e negativas tem comportamento diferente, ou seja;  

 

 

 

 

 

 

 

Obs: O vetor de campo elétrico nas linhas de campo é tangente a estas linhas.  

Para determinar a existência do campo elétrico gerado por uma carga Q, utiliza-se uma outra carga chamada de carga de prova, ou seja, quando a carga de prova(q) é colocada na região do campo elétrico esta vai interagir com esse, assim comprovando a existência do campo naquela região do espaço. A partir disso, podemos determinar a intensidade do campo elétrico em qualquer espaço da região preenchida por ele. A carga geradora do campo elétrico esta submetida a uma força elétrica(F), ou seja;

E = F / q

            A unidade de medida no SI do campo elétrico é o N/C.  

            Campo elétrico de uma carga puntiforme: determinado como apresentado abaixo;

 

Q é a carga puntiforme que gera o campo elétrico. K é a constante eletrostática. O sentido do campo elétrico vai ser

determinado pelo sinal da carga.  

Campo elétrico uniforme: É caracterizado quando duas cargas geram um campo onde o vetor campo elétrico tem a

mesma intensidade, direção e sentido. Ex:  

 

Obs: Campo elétrico no interior de um condutor eletrizado em equilíbrio é nulo, pois as cargas ficam distribuídas na superfície do mesmo, independente sua forma. Ex: A blindagem eletrostática. Esse fenômeno foi testado por Michael Faraday quando construiu a famosa gaiola de Faraday.  

7)      Potencial elétrico e diferença de potencial  

Potencial elétrico é determinado em um determinado ponto do campo elétrico, ou seja, o potencial elétrico pode variar sua

intensidade de acordo com a distancia entre a carga e a carga de prova, ou seja, a energia potencial elétrica é dada por;  

E = K.Q.q / d  à V = E / q  à  V = k.Q / d, que é o potencial gerado por uma carga. A unidade de medida do potencial

elétrico é o volt (V), onde 1 volt = 1J / 1C.  

Podemos determinara também a diferença de potencial, ou seja, qual a intensidade do campo elétrico entre dois pontos?

DDP.gif
Basta determinar fazendo a diferença de potencial entre tais pontos. Ex:

Então;

EpelA e EpelA é o campo no ponto A e no ponto B.

t é trabalho elétrico realizado pela partícula.

Assim, a diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B é

UAB = Vb - Va

Logo,

τ = q. UAB

Ainda podemos escrever que:

UAB = E.d

Potencial elétrico de um condutor em equilíbrio eletrostático: como o condutor esta em equilíbrio eletrostático, o potencial elétrico em qualquer parte dele é o mesmo, é constante. Devido a esta característica, dizemos que este tipo de condutor nestas condições é chamado de superfície EQUIPOTENCIAL. Além disso, as linhas de força são sempre perpendiculares a estas superfícies. Ex:

superficiesEquipotenciais1.jpg

  OBS: Densidade elétrica superficial é a quantidade de cargas distribuídas em uma determinada área. Com isso, quanto maior a densidade elétrica em uma determinada área, maior será a intensidade do campo elétrico. Ex: Para-raios.

              Rigidez dielétrica é quanto os elementos de um meio onde está inserido um campo elétrico muito intenso suporta manter-se isolante, ou seja, se o meio tiver um campo elétrico de intensidade maior que sua rigidez dielétrica, esse passara a ser condutor, não mais isolante.    

8)      Capacitor  

É um dispositivo elétrico capaz de armazenar cargas elétricas, é composto por duas placas eletrizadas (armaduras) com cargas de sinais diferentes e entre as placas há uma distancia (d) onde está inserido um material isolante chamado de material dielétrico. Como as armaduras tem eletrizações diferentes ocasiona consequentemente o aparecimento de uma diferença de potencial elétrico(U), assim podemos determinar a capacitância (C), a quantidade de cargas e até esta diferença de potencial. Para tanto é necessário considerar a quantidade de cargas (Q) das duas armaduras em módulo, caso contrario esta quantidade será nula. Com isso;  

C = Q / U  

A unidade de medida do capacitor é C / V, que é equivalente a um Faraday (F) que é a unidade no SI.

CapacitorSimbolos.png

Capacitor.jpg

            Energia armazenada por um capacitor  

Pode mos determinar quanto de energia um capacitor pode armazenar utilizando as seguintes expressões:  

Ep = Q.U / 2    à   mas Q = C.U  à  Ep = C.U.U / 2   à Ep = C.U2 / 2  

 

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1 - Considere um sistema composto de três corpos com intensidades, respectivamente, +4,0C, -6,0C e -8,0C, onde os corpos A e B estão separados por L/2 centímetros e os corpos B e C separados com L/2 centímetros. Analisando as afirmações a seguir, assinale a única alternativa INCORRETA entre as opções relacionadas abaixo.
I – No contato entre os corpos A e B as cargas são iguais a -1C.
II – Os corpos A, B e C estão, respectivamente, com excesso de carga positiva, carga negativa e carga negativa.
III – Para que os corpos neutros percam cargas basta conectá-los a um fio terra.
IV – Choque elétrico se dá pelo contato entre dois corpos: um corpo neutro e outro com falta de cargas positivas.
V – Após friccionar dois corpos neutros, eles ficam carregados com cargas de sinais diferentes.

a)(   )I, III e IV            b)(   )II e III        c)(   ) III e V       d)(   )II, IV e V       e)(   )I e III              f)(   )II e IV

2 - A figura abaixo representa quatro esferas de mesma carga dispostas horizontalmente onde as distancias que as separam são iguais (DAB = DBC = DCD= H/3). Desta forma, analisando fisicamente, marque a única alternativa INCORRETA entre as afirmativas relacionadas abaixo:

a) As forças elétricas entre as esferas A e B, B e C são iguais.

b) A força elétrica entre as esferas A e D tem a menor intensidade.

c) A força elétrica de maior intensidade é entre as cargas C e D, A e B, B e C.

d) A força elétrica entre B e C é menor que a força elétrica entre A e D.

e) A força elétrica entre as esferas A e B é maior que a força elétrica de A e C.

f) A força elétrica depende dos sinais das cargas de cada esfera para determinar se a força é de repulsão ou de atração.

 

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