FATORES QUE INFLUENCIAM NO VALOR DE UMA RESISTÊNCIA

Para analisar os fatores que influem no valor da resistência de um fio metálico: três fios, de mesmo comprimento, são fixados sobre um suporte de madeira, feito de um mesmo material ( liga de níquel-cromo) e de cobre. Além disso, a área da secção reta é maior que as áreas, que são iguais entre si.

1)    Ligando-se uma pilha e um amperímetro ao fio, apenas a resistência do trecho será percorrida pela corrente fornecida pela pilha e indicada pelo amperímetro. Se deslocarmos o contato móvel ao longo do condutor, aproximando-o do final do mesmo observaremos que a leitura do amperímetro vai tornar-se cada vez menor. Como a voltagem da pilha é sempre a mesma, concluímos que a resistência do trecho, aumenta á medida que aumentamos seu comprimento.  Essa experiência nos mostra uma propriedade válida para qualquer condutor:

                                                                        A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento

2)    Suponha, agora, que a pilha e o amperímetro sejam ligados ás extremidades e que anotemos a indicação do amperímetro. Se, em seguida, essa ligação fosse feita, isso é, nas extremidades do fio mais fino de níquel-cromo, observaríamos uma diminuição na leitura ao amperímetro. Portanto, a resistência é maior. Lembramos que esses dois fios têm o mesmo comprimentos, vemos que eles diferem apenas pela área de sua secção reta e chegaremos á seguinte propriedade, válida para condutores em geral:

                                                                        A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua secção reta, isto é quanto mais fino for o condutor.

3)    Ligando, finalmente, o amperímetro e a pilha às extremidade do fio de cobre, vemos que a indicação do amperímetro é maior que a da ligação feita . Isto é, a resistência de fio, é menor. Como esses fios têm o mesmo comprimento e a mesma área da secção reta, concluímos que:

                                                                        A resistência de um condutor depende do material de que ele é feito

            Portanto, alguns materiais são melhores condutores que outros. Por exemplo: da experiência que  acabamos de descrever, concluímos que o cobre é melhor condutor que o níquel-cromo, Na tabela, mostramos alguns metais, colocados em ordem do melhor condutor (prata) para o pior (níquel-cromo).

                                                                        Prata

                                                                        Cobre

                                                                        Alumínio

                                                                        Tungstênio

                                                                        Ferro

                                                                        Chumbo

                                                                        Mercúrio

                                                                        Níquel-cromo

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

CORRENTE ELÉTRICA

ANDRÉ-MARIE AMPÉRE (1775 – 1836)

            Físico francês, nascido em Lyon, foi um dos fundadores do Eletromagnetismo. Criança prodígio que dominava a Matemática aos 12 anos, tornou-se mais tarde professor desta disciplina, além de lecionar também Física e Química em escolas superior de seu país. Embora não fosse em estudioso sistemático, Ampére desenvolveu uma grande obra em seus momentos de brilhante inspiração. Além de estabelecer uma lei fundamental do Eletromagnetismo ( a lei de Ampére), realizou várias experiências que permitiram desenvolver a teoria matemática dos fenômenos eletromagnéticos já observados e a previsão de outros fenômenos. Foi a primeira pessoa a utilizar técnica de medidas elétricas, tendo construído um instrumento que foi o precursor dos aparelhos de medida hoje conhecidos.

GEORG SIMON OHM ( 1787 – 1854)

            Nascido na Bavária , o físico alemão Ohm iniciou sua carreira científico como professor de Matemática no Colégio dos Jesuíta, em Colônia. EM 1827 publicou o resultado de seu trabalho mais importante em um folheto: “ circuito galvânico examinando matematicamente”. Nesta publicação ele apresentava a lei sobre a resistência dos condutores, que mais tarde foi denominada lei de Ohm. Embora estes estudos tenham sido umas colaborações importante na teoria dos circuitos elétricos e sua aplicações, na época eles foram recebidos com frieza pela comunidade cientifica. Este fato levou Ohm a se demitir do cargo que ocupava em Colômbia. Em 1833, entretanto, ele se reintegrou nas atividades cientificas aceitando um cargo na Escola Politécnica de Nuremberg. Seu trabalho foi finalmente reconhecido, tendo, então, recebido uma medalha da Real Sociedade de Londres.

  

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

O GERADOR DE VAN DE GRAAFF

ALTAS VOLTAGENS NECESSATIAS NA FÍSICA MODERNA

            Em alguns trabalhos de pesquisa no campo da Física Moderna torne-se necessária a utilização de voltagens muito elevadas, cujos valores chegara, a atingir alguns milhões de volts. As altas vantagens são usadas para acelerar partículas atômicas eletrizadas (prótons, elétrons, íons etc.), fazendo com que elas adquiriram grandes velocidades. Estas partículas são, então, lançadas contra os núcleos atômicos de diversos elementos, provocando reações nucleares que são estudadas pelos físicos. Um dispositivo que permite obter voltagens muito elevadas para serem usadas nas experiências mencionadas é o gerador de Van de Graaff.  O nome deste aparelho é uma homenagem ao físico americano Robert  Van de Graaff, que idealizou e construiu o primeiro gerador deste tipo em 1930.

Robert J. Van Graaff ( 1901 – 1967)

            Engenheiro americano que após estudar anos em Paris, onde teve a oportunidade de assistir a conferências de Marie Curie, passou a ser dedicar à pesquisa no campo da  Física Atômica. Trabalhando na Universidade de Oxford, Van Graaff sentiu a necessidade, para desenvolver suas pesquisas, de uma fonte de partículas subatômicas de alta energia. Criou então o gerador de Van de Graaff, acelerador de partículas que recebeu seu próprio nome e que encontrou larga aplicação, não só na Física Atômica, como também na Medicina e na indústria. Mais tarde , voltando ao Estado Unidos, depois de ser dedicar à pesquisa durante um certo tempo, montou uma indústria para fabricar exemplares de seu gerador.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR DE VAN DE GRAAFF

            Vimos, neste, que se um corpo metálico, eletrizado, for colocado em contato como outro corpo, também metálico, inicialmente descarregado, haverá transferência de apenas parte da carga de um para outro. A transferência de carga é parcial porque ela será interrompida quando os potenciais dos dois corpos se igualarem.

            Suponha, agora, que o corpo possuísse  uma cavidade e que fossem introduzido nela. Nestas condições, a carga de induziria cargas elétricas nas superfícies interna e externa, a superfície interna fica eletrizada negativamente e a superfície externa, positivamente, verifica-se que a carga induzida nas paredes tem o mesmo módulo da carga no corpo ( provocou  a indução). Então, se este corpo for colocado em contato com a parede interna de um outro corpo, a carga induzida neste parede será neutralizada pela carga desta parede interna. Como consequência disto o corpo externo ficará eletrizada com uma carga de mesmo sinal e de mesmo módulo que a carga inicial do corpo interno. Em outas palavras, tudo se passa como se a carga do corpo interno fosse integralmente transferida para o corpo externo.

            Portanto, quando um corpo metálico eletrizado é colocado em contato interno com outro, toda sua carga é transferida para este outro. Lembre-se de que isto não acontece quando o contato é feito externamente.

            Quando há contato interno, a transferência de carga do corpo que até dentro da cavidade para o corpo externo é integral, mesmo que este já possua uma carga inicial. Assim, se o corpo Interno for novamente eletrizado e outra vez ligado internamente ao corpo externo, sua carga se transferirá totalmente para o corpo externo. Esta operação pode ser repetida varias vezes e, assim, é possível acumular  no corpo externo, uma quantidade de carga cada vez maior. A quantidade de carga no corpo externo, naturalmente, é limitada pela rigidez dielétrica do ar que o envolve, Como sabemos, se a rigidez dielétrica do ar for ultrapassada, parte da carga acumulada no corpo externo a escoar e, portanto, a carga máxima que pode existe no corpo externo é aquela que cria um campo igual à rigidez dielétrica do ar.

           

           

COMO FUNCIONA O GERADOR DE VAN DE GRAAFF

            O fato de a carga elétrica se transferir integralmente de um corpo para outro, quando há contato, constitui o principio básico de funcionamento de gerador de Van de Graaff.

            Este aparelho é constituído por uma correia que passa por duas polias, uma dela acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se no interior de uma esfera metálica oca, que está apoiada em duas colunas isolantes.

            Enquanto a correia de movimenta, ela recebe carga elétrica por meio de uma ponta ligada a uma fonte de alta tensão ( cerca de 10 000V). Esta carga é transportada pela correia para o interior da esfera metálica  Uma ponta ligada a esfera recolhe a carga transportada pela correia. Em virtude do contato interno, esta carga se transfere integralmente para a superfície externa da esfera do gerador.

            Como as cargas são transportadas continuamente pela correia, elas vão se acumulando na esfera, até que a rigidez dielétrica do ar seja atingida. Nos geradores de Van de Graaff usados em trabalhos científicos, o diâmetro da esfera pode ser de alguns metros e a altura do aparelho atinge , ás vezes, 1,5m. Nestas condições, é possível obter voltagens de até 10 milhões de volts. Observe que a voltagem obtida no aparelho é cerca de mil  vezes maior do que a voltagem fornecida pela fonte que alimenta a correia do gerador.

O GERADOR DE VAN DE GRAAFF NOS LABORATORIOS DE ENSINO.

            O gerador de Van de Graaff pode ser construído em pequenas dimensões para ser usado nos laboratórios de ensino: o diâmetro de sua esfera mede cerca de 20 cm e pode-se, com  ele, obter potenciais de alguns milhares de volts. Geralmente, nestes geradores mais simples, a carga elétrica fornecida a correia não é obtida por meio de uma fonte especial de tensão. Esta carga é desenvolvida na base do motor do próprio aparelho pelo atrito entre a polia e a correia. Além disso, em lugar do motor elétrico, costuma-se usar simplesmente uma manivela para movimentar a polia e a correia. Um gerador como este pode ser construído com relativa facilidade, podendo-se obter, em manuais especializados ( guias de laboratórios por exemplo), maiores detalhes dobre o material a ser utilizado e a maneira de montar o aparelho.

A CARGA ELÉTRICA É “QUANTIZADA”

            Vimos, no início de dos fenômenos elétricos, que somente com o desenvolvimento da Física nos século XX foi possível entender o mecanismo pelo qual um corpo se eletriza. Como você sabe, após serem estabelecidas a s teorias sobre a constituição do átomo, os cientistas concluíram que a eletrização é devida simplesmente ao fato de um corpo ganhar ou perder elétrons.

            Por este motivo, o calor da carga elétrica que um corpo possui deve ser sempre um múltiplo inteiro do valor da carga do elétron.  Em outras palavras, se desejássemos alterar o valor da carga de um corpo, a mínima variação que poderia ser realizada seria ceder ou retirar dele apenas um elétron. Portanto, o valor da carga de um corpo nunca poderia sofrer uma variação cujo módulo fosse inferior ao módulo da carga desta partícula, isto é, esta variação não poderia ser igual a uma fração da carga do elétron. Sempre que isto ocorre com uma grandeza dizemos que ela é quantizada, o que significa que o valor da grandeza só pode variar  em saltos. O menor valor desta variação, isto é, o menor  salto que o valor da grandeza pode sofrer, é denominado quantum  da grandeza. Assim, podemos dizer que a carga elétrica é uma grandeza quantizada e que o quantum  de carga elétrica é o valor da carga do elétron. Os cientistas do início do século XX já suspeitavam que esta ideia fossem verdadeiras. Nesta época, o cientista americano Robert  Millikan realizou várias experiências que realmente comprovaram a quantização da carga elétrica e conseguiu , ainda, determinar o valor da carga do elétron.

            Embora as experiências realizadas por Millikan tenham sido muito trabalhadas observadas um período de alguns anos de trabalho deste cientista, as ideias básicas nas quais elas se apoiam são relativamente simples.

            ROBERT ANDREWS MILLIKAN ( 1868-1953)

            Físico americano que, após estudar na Universidade de Berlin, voltando à sua terra natal tornou-se professor da Universidade de Chicago .Foi ai que realizou sua célebre experiência da gota de óleo que lhe permitiu medir o valor da carga de elétron. Outro trabalho de Millikan de grande repercussão foi a verificação experimental da equação de Einstein , do efeito fotoelétrico, Através deste trabalho ele obteve um valor muito preciso para a constante de Planck. Millikan recebeu várias homenagens e ocupou  vários cargos importantes, salientando-se a representação de seu pais na Liga das Nações . Em 1923 recebeu o Prémio Nobel de Física por seus estudos sobre a carga elementar do elétron e o efeito fotoelétrico.

            Um esquema de montagem usado por Millikan, gotas de óleo, muito pequenas, são lançadas na câmera superior do dispositivo por meio de um pulverizador. Estas gotículas, no próprio processo de sua formação, adquirem uma carga elétrica, geralmente negativa, Millikan desejava medir o valor da carga elétrica nesta gotícula e , para isto, estabeleceu uma diferença  de potencial  V_AB entre as placas A e B . Desta maneira, entre estas placas foi estabelecido um campo elétrico uniforme E, cujo módulo, como sabemos , é dado por E = V_AB / d, onde d é a distancia entre as placas. Algumas gotículas, passando através do pequeno orifício existente na placa superior, penetram neste campo, ficando, então, sob a ação de duas forças: o seu próprio peso mg, dirigindo para baixo, e a força elétrica, F = qE, dirigida para cima. Millikan fazia variar a voltagem V_AB até que a gotícula, observada através de uma luneta, ficasse em repouso entre as duas placas. Nesta situação, o valor da força elétrica era igual ao peso da pequena gota de óleo , isto é,

                                                                                  qE= mg           donde             q=mg/E

            Como a intensidade do campo elétrico podia ser calculada pela expressão  E =V_AB/d e como Millikan conhecia a massa m de cada  gotícula, ele conseguiu obter o valor da carga q existem em cada pequena gota de óleo .

            MILLIKAN DETERMINA O VALOR DA CARGA DO ELÉTRON

            No período dos 1906  a 1913 Millikan realizou um grande número de experiência, medindo o valor da carga elétrica adquirida por milhares de gotículas de óleo,  o resultados dessas experiências permitiram-lhe concluir quem de fato , a carga elétrica é quantizada, possibilitando também que ele determinasse o valor do quantum  de carga elétrica ( o valor da carga do elétron).

            Usando a relação q = mg/E para calcular a carga de diversas gotículas, foram, obtidas valores que eram sempre múltiplos de uma dada carga. Esta, por sua vez, representava o menor valor obtido, isto é, nenhuma das gotículas analisadas possuía uma carga de valor inferior a este mínimo, Para esclarecer as conclusões possíveis por Millikan , consideramos os dados seguintes, que representam possíveis valores da carga elétrica, observando em algumas gotículas:

                                                 1ª gotícula – q₁ = 6,4 x 10^-19 C

                                                  2ª gotícula – q₂ = 3,2x10^-19 C

                                                  3ª gotícula – q­₃ = 1,6x10^-19 C

                                                  4ª gotícula – q ₄ = 8,0x10^-19 C

                                                   5ª gotícula – q₅ =4,8x10^-19 C

            Como vemos, o menor valor da carga em uma gota é 1,6x10^-19 C e todas as outras cargas são múltiplas deste valor mínimo, MIllikan concluiu, assim, que a 3ª gotícula tinha adquirido apenas 1 elétron em excesso e, portanto , o valor da carga do elétron era 1,6x10^-19  C. Então, nas demais gotículas temos:

                                                    1ª gotícula – 4 elétron em excesso                        

                                                     2ª gotícula – 2 elétron em excesso

                                                     4ª gotícula – 5 elétron em excesso

                                                     5ª gotícula – 3 elétron em excesso

            Experiências posteriores, realizadas em outros campos da Física, forneceram resultados em perfeita concordância com as conclusões obtidas por Millikan. Por seus trabalhos, principalmente pela determinação do valor da carga do elétron, este cientista recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1923.

  
Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

DIFERENÇA DE POTENCIAL

ALESSANDRO VOLT (1745 – 1827)

            Física italiano que recebeu o título de conde, dado por Napoleão, pelos trabalhos que desenvolveu no campo de Eletricidade. Professor na Universidade de Pavia , ele mostrou que os efeitos elétricos observados por Galvani, com pernas de rãs, eram realmente produzidos pelo contato entre dois metais e não devidos  a uma espécie de eletricidade animal, como Galvani acreditava. Este estudo levou-o à descoberta da pilha que tomou o nome de pilha de Volta e que o levou á celebridade.

ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA

            Como vimos a diferença de potencial entre dois pontos em um campo elétrico é dado por :

                                                            V_A – V_B  = T_AB/ q

            Então, o trabalho que o campo realiza sobre a carga q, deslocando-se de A para B.

                                                           

                                                          T_AB = qV_A - qV_B  

            Anteriormente, já chamamos sua  atenção para o fato de que este trabalho não depende do caminho que a carga irá percorrer de A para B, isto é, o campo elétrico é um campo conservativo.  Sabemos, entretanto, que quando uma força é conservativa, existe sempre associada a ela uma energia potencial E_p  que se relaciona com o trabalho de força conservativa da seguinte maneira:

                                                           T_AB = E_pA - E_pB 

            Como você provavelmente se lembra, vimos , que esta relação é verdadeira para a força gravitacional, para a elástica e para qualquer força conservativa, Como a energia potencial em cada ponto tem um valor bem definido, identificado as expressões

                                      T_AB = qV_A - qV_B      e    T_AB = E_pA - E_pB 

Teremos

                                              E_pA = qV_A       e     E_pB = qV_B          

Assim de um modo geral podemos dizer que:

Se uma carga q é colocada em um ponto onde o potencial elétrico é V, ela possui nesta posição uma energia potencial elétrica

                                                            E_p = qV

           

            Para tornar estas ideias mais claras, analisaremos a situação: Consideremos uma carga pontual Q, estabelecendo um campo elétrico, no qual é colocada uma, também pontual, q, a uma distância r de Q. Sabemos que o potencial estabelecido por Q à distancia r  é V = k₀ qQ/ r .

            Esta é, então  a expressão que fornece a energia potencial elétrica ( em relação ao infinito) de uma pontual q, no campo criado por uma carga pontual Q, a uma distância r desta carga.

            Ao usar esta equação, os sinais de Q e q precisam ser levados em consideração . Por exemplo, supondo Q = +5,0 μC, q = +2,0 μC e r = 10 cm, temos:

                                

            E_p = k₀ qQ / r = 9x10⁹ x 5,0X10^-6 x 2,0x10^-6  /  0,10

                                                                                 

                                                         Donde E_p = 0,9 J    

            Este resultado significa que a carga q possui uma E_p de 0,9 J acima do valor em pontos muito distantes ( infinito, onde E_p = 0 ). Portanto, se q for abandonado daquela posição Q for mantida fixa , a carga q será repelida e alcançará um ponto no infinito com energia cinética E_c = 0,9 J ( supondo desprezível outras forças que atuam em q).

            Se o sinal da carga q for negativa, teremos , evidentemente, E_p = -0,9J. Então, a energia desta carga é ,menor do que a que ela  teria no infinito ( onde E_p = 0). Esta carga, sendo atraída por Q, só pode ser transportada para um ponto muito afastado se uma força extrema realizar sobre ela um trabalho no mínimo igual a 0,9 J ( neste caso , ela alcançaria o infinito com E_c = 0).

  
Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

AS PRINCIPAIS DESCOBERTAS NO CAMPO DA ELETRICIDADE

FORÇA ELÉTRICA E FORÇA MAGNÉTICA

            Como dissemos no início deste, o efeito âmbar, isto é , a propriedade de atrair corpos leves que o âmbar adquiri ao ser atritado, já era conhecida  há mais de 2 000 anos. Praticamente na mesma na mesma época observou-se também que certas pedras – os imãs naturais – atraíam pedaços de ferro.

            Durante muito tempo julgou-se que estes dois fenômenos eram de mesma natureza, ou seja, acreditou-se que ambos eram devidos a uma mesma propriedade dos corpos materiais. Ainda na Antiguidade, entretanto, percebeu-se uma grande diferença entre estes fenômenos: âmbar atritado exercia sua atração sobre vários ouros corpos, enquanto o imã só atraía pedaços de ferro. Portanto, estas atrações não deveriam ser confundidas entre se, pois correspondiam a fenômenos diferentes. Em nossa linguagem atual, esta verificação é traduzida dizendo-se que o âmbar atritado exerce uma força elétrica e o imã exerce uma  força magnética.

            Vamos, a seguir, mostrar de maneira sucinta como evoluiu historicamente o estudo dos fenômenos relacionados com o efeito âmbar, isto é. O estudo dos fenômenos elétricos.

IDEIAS INICIAIS SOBRE A ORIGEM DA FORÇA ELÉTRICA

            Em todas as referências aos fenômenos elétricos feitos pelos filósofos da Antiguidade, encontramos sempre uma tentativa de explicação da origem das forças elétricas. Estas explicações apresentavam as mais diversas formas, sendo algumas teológicas e até mesmo psíquicas. Muitos filósofos atribuíam a atração a uma  simpatia  entre os corpos que se  atraíam e outros acreditavam que os corpos atraídos serviam de alimentos para o âmbar.

            Outra explicação das atrações elétrica, muito divulgada na Antiguidade, apresentava um caráter mecânico ( ou material). Os defensores desta hipótese julgavam que o âmbar atritado emitia uma substância invisível, à qual denominavam eflúvio. Esta substância estabeleceria um contato material entre o âmbar e um objeto próximo, provocando sua atração.

            Durante a Idade Média, predominou a antiga hipótese de que a atração era devido a uma simpatia entre os corpos. Entretanto, a i possibilidade de explicar vários fenômenos elétricos a partir desta ideia fez com que os cientistas do Renascimento ( sec. XV e XVI) voltassem sua atenção para a hipótese matéria do eflúvio.

GILBERT PUBLICA O DE MAGNETE

            No século XVI, o médico inglês W. Gilbert desenvolveu um estudo detalhado sobre os fenômenos elétricos e magnéticos publicando, em        1 600, um extenso tratado denominado  De magnete, no qual apresentava os resultado de suas observações, Um dos capítulo desta obra era dedicado exclusivamente ao  efeito âmbar.

            Gilbert conseguia detectar a existência de forças elétricas muito pequenas usando um aparelho que ele inventou e ao qual denominou  versorium. Este aparelho consistia em uma seta de madeira suspensa em um suporte vertical em torno do qual ela podia girar livremente.

            Se a seta girasse quando um corpo atritado era aproximado de sua extremidade, concluía-se que o corpo estava apresentando o  efeito âmbar ( estava eletrizado). Como o versorium  era um aparelho muito sensível , Gilbert conseguiu verificar que um grande número de substancias atritada adquiria aquela propriedade, e não apenas o âmbar, como se acreditava até então. Ele descreve esta descoberta no De magnete  da seguinte mineira:

            “ Pois não é apenas o âmbar, como eles supõem, que atrai pequenos corpos, mas também o diamante, a safira , a opala, ametista, o cristal etc. Estas substâncias atraem todas as coisas, não somente penas e limalhas, mas todos os metais, madeira, pedra, terra e também a água e o azeite e tudo o que está sujeito a nossos sentidos e é sólido...”

            Para explicar a tração exercida por todas aquelas substâncias, Gilbert adotou a hipótese  eflúvio, rejeitando veementemente a ideia da simpatia entre os corpos que se atraíam.

            Apesar do grande número de cuidadosas experiências realizadas por Gilbert, ele não chegou a observar a existência da repulsão entre dois corpos eletrizados. Como sabemos, quando um corpo leve é atraído por um objeto atritado, após tocar este objeto o corpo é repelido por ele. Este fenômeno só foi descoberto, pela primeira vez, alguns anos após a morte de Gilbert, pelo jesuíta italiano Nicolo  Cabeo. Em virtude desta descoberta, a teoria do eflúvio teve de sofrer modificações, pois ela não era capaz de explicar o fenômeno da repulsão elétrica.

CONDUTORES E ISOLANTES

            Após a publicação dos trabalhos de Gilbert, durante todo o século XVII vários cientistas preocuparam-se em realizar experiências com corpos eletrizados, usando preferencialmente tubos e esferas de vidro, material este que se mostrou bastante adequado para este tipo de experiências. No início do século XVIII, alguns experimentadores perceberam que era possível eletrizar um corpo ligando-o, por meio de um fio, a um  outro corpo que tivesse adquirido eletricidade por atrito. O cientista francês François Dufay , analisando estas experiências, concluiu que a intensidade da eletricidade do corpo por meio da ligação dependia do material de que era feito o fio. Ele chegou, então, à conclusão de que certas substâncias   conduziam  bem a eletricidade, enquanto  outras não o faziam. Desta mineira, estavam sendo estabelecidos os conceitos  corpos condutores e corpos isolantes,  tais como os conhecimentos atualmente.

EXISTEM DOIS  TIPOS DE ELETRICIDADE

            Prosseguindo com o estudo da repulsão elétrica, que Cabeo  havia iniciado, Dufay procurou dar uma explicação para o fenômeno. Ele supunha que um corpo atraído por outro eletrizado era repelido depois de tocá-lo porque se tornava também eletrizado. Concluiu, então que dois corpos eletrizados sempre se repelem. Entretanto, esta ideia inicial de Dufay teve de ser modificada, pois ele mesmo observou, mais tarde, que um pedaço de vidro atritado com seda atraía um pedaço de âmbar atritado com pele, isto é, dois corpos eletrizados podiam se atrair. Baseando-se em um grande número de experiência, Dufay  lançou , então, as bases de uma nova hipótese que teve grande aceitação durante todo o século XVIII. Segundo ele, existiam dois tipos de eletricidade: eletricidade vítrea, aquela que aparece em um pedaço de vidro atritado com seda, e eletricidade resinosa, aquela que aparece no âmbar atritado com pele ( o termo resinosa  foi usado por ser o âmbar uma resina) repeliam uns aos outros, Por outro lado, corpo com eletricidade de nomes contrários atraíam-se mutuamente.

           

A TEORIA DOS DOIS FLUIDOS ELÉTRICOS

            Para explica que fluidos e estes dois tipos de eletrização eram observados, lançou-se também a ideia da existência de dois fluidos elétricos : um fluido vítrea e um fluido resinoso.  Em um corpo normal, não eletrizado, estes dois fluidos apresentavam-se misturados em igual quantidade, Ao atritar, por exemplo, o vidro com a seda, havia passagem, em igual quantidade, de fluido vítreo da seda para o vidro e de fluido resinoso do vidro para a seda.

            Assim, o vidro apresentava-se com eletricidade vítrea porque passou a ter um excesso de fluido vítreo, que passou a ter um excesso de fluido resinoso, apresentava-se com eletricidade resinosa.

            Portanto, de acordo com estas ideias, a eletricidade não criada quando um corpo em atritado, Os fluidos elétricos já existiam nos corpos e havia apenas uma redistribuição destes fluidos quando os corpos eram atritados. Esta teoria passou a ser conhecida com o nome de  teoria dos dois fluidos  e com ela era possível explicar todos os fenômenos elétricos conhecidos na época.

A TEORIA DO FLUIDO ÚNICO DE BENJAMIM FRANKLIN

            No decorrer do século XVIII, as experiência com corpos eletrizados tornaram-se muito populares e eram realizadas em praças públicas, mesmo por pessoas leigas, apresentando resultados espetaculares que atraíam a atenção de um grande público. Foi ao assistir a um desses espetáculos  que o cientista americano Benjamin Franklin se interessou pelo estudo dos fenômenos elétricos . Este cientista  realizou um número muito grande de experiências que contribuíram significativamente para o desenvolvimento da eletricidade.

Uma importante contribuição de Franklin, apresentada na mesma época em que a teoria dos dois fluidos  era amplamente divulgado na Europa, foi a formulação de uma outro hipótese, denominada  teoria do fluido único.  De acordo com esta teoria os corpos não eletrizados possuíam uma quantidade normal  de um certo fluido elétrico. Quando um corpo era atritado com outro, um deles perdia parte de seu fluido, que era transferida para o outro, Como Franklin não conhecia a terminologia usada por Dufay, ele criou sua própria nomenclatura, dizendo que o corpo que recebia ficava eletrizado  negativamente . Esta terminologia, como sabemos , é até hoje e corresponde, respectivamente, ao termos  eletricidade vítrea e eletricidade resinosa, usados por Dufay.

AS TEORIAS DOS FLUIDOS E AS IDÉIAS MODERNAS DE ELETRIZAÇÃO

            Do mesmo modo que na teoria dos dois fluidos, a teoria de Franklin previa a conservação da carga elétrica, isto é. A eletricidade não é não é nem criada nem destruída no processo de eletrização: ela já existe nos corpos e simplesmente se redistribui entre eles quando são atritados. Estas duas teorias da eletrização mostraram-se igualmente satisfatórias para explicar os fenômenos elétricos conhecidos na época (  séc. XVIII). Deste modo não foi possível optar por uma delas e os cientistas usavam ora uma, ora outra, de acordo com suas conveniências.

            É interessante observar que a teoria dos dois fluidos está mais próxima das ideias modernas no que se refere à constituição elétrica da matéria. De fato, sabemos atualmente que existem dois tipos de cargas elétricas nas partículas que constituem um corpo material. Entretanto, a teoria do fluido único de Franklin está mais de acordo com os conhecimentos atuais na explicação do processo de eletrização por atrito, Realmente, de acordo com as teorias modernas, apenas um tipo de cargas elétrico transfere-se de um corpo para outro quando eles são atritados. Deve-se destacar, porém, que, segundo Franklin, a carga transferida durante o atrito era a carga positiva ( pela transferência do fluido único).enquanto que, de acordo com as ideias modernas , são os elétrons que se transferem de um corpo para outro e sabemos que eles transportam carga negativa.

AS EXPERIENCIAS DE COULOMB COM A BALANÇA DE TORÇÃO

            Até a época dos trabalhos de Franklin e Dufay (meados do século XVIII) apenas os aspectos qualitativos dos fenômenos elétricos tinham sido abordados. Os cientistas sentiam que, para o progresso dos estudos relacionados com a eletricidade, era necessário estabelecer relações quantitativas  entre as grandezas envolvidas naqueles fenômenos.

Em particular, houve uma preocupação em relacionar quantitativamente a força elétrica,  F, entre dois corpos, com a distancia, r, entre eles. Percebendo que havia uma certa semelhança entre a atração elétrica e a atração gravitacional ( cujo estudo já havia sido desenvolvido por Newton), alguns físicos, no final só século XVIII, lançaram o hipótese de que a força elétrica poderia, também variar com o inverso do quadrado da distância entre os corpos, isto é,  F α 1/r² . Entretanto, era necessário que fossem realizadas medidas cuidadosas para verificar se esta hipótese era verdadeira .

            Entre os diversos trabalhos que foram desenvolvidos pelos cientistas  com este objetivo, destacam-se as experiências realizadas por Coulomb que, em 1785, apresentou à Academia de Ciências da França um relatório de seus trabalhos. Coulomb construiu um aparelho, denominado balança de torção , com o qual ele podia medir diretamente as forças de tração e repulsão entre corpos eletrizados, feito pelo próprio Coulomb no relatório  enviado à Academia de Ciências . Duas esferas estão equilibradas nas extremidades de uma haste horizontal, suspensa por um fio. A esfera  a está eletrizada e uma esfera b,  também suspensa por um fio. A esfera a está eletrizada e uma esfera b , também  eletrizada, é aproximada de  a . Em virtude da força elétrica que se manifesta entre a e b , a haste gira, provocando uma torção no fio. Medindo o ângulo de torção do fio, Coulomb conseguia determinar  o valor da força entre as esferas. Uma balança semelhante a esta foi usada, aproximadamente na mesma época, por  Cavendish, para comprovar a lei de Gravidade Universal e para medir o valor da constante  de gravitação  G. As balanças de torça permitem realizar medidas de alta precisão . Com sua balança Coulomb conseguia mediar força de até 10 ^-8 N  !

OS RESULTADOS OBTIDOS POR COULOMB

            Realizando medidas com as esferas separadas por diversas distâncias, Coulomb verificou que, realmente, a força elétrica era inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, Além disso, ele concluiu também que esta força era proporcional ao produto das cargas elétricas das esferas, chegando,  assim, à expressão definitiva da lei que leva seu nome, Este fato se revestiu de grande importância , uma vez que a lei Coulomb foi a primeira lei fundamental estabelecida no campo da Eletricidade. No decorrer dos séculos XIX e XX, um grande número de novos fenômenos elétricos foi estudado e novas leis foram estabelecidas, provocando um notável progresso desta área da ciência. Vários desses fenômenos e, algumas destas leis, que são também fundamentais no estudo da Eletricidade.

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

INTERPRETAÇÃO MICROSCÓPICA DA CONSTANTE DIELÉTRICA DE UM MEIO

Acabamos de ver que a força elétrica entre duas cargas, colocadas no vácuo, sofre uma redução quando essas cargas são mergulhadas em um meio material. A constante dielétrica do meio K, representa o fator de redução da força. Vamos apresentar, aqui, um modelo microscópico que nos permite entender por observação esta redução. Em outras palavras, vamos procurar interpretá-la analisando as alterações que ocorrem nos átomos ou moléculas A e B, situadas no vácuo, carregadas eletricamente com cargas iguais e de sinais contrários. Colocando-se uma carga q entre essas placas, uma força F₀ atua sobre ela, em virtude das cargas nas placas.

            Supondo, agora, que estas placas tenham sido mergulhadas em um meio dielétrico ficará polarizada. As moléculas deste meio estarão, então, orientadas e alinhadas. Em virtude desta polarização, a superfície do dielétrico próxima ás placa A e B ficarão eletrizadas. As cargas que aprecem nas superfícies do dielétrico são denominadas cargas de polarização.    

            Pode-se perceber que a carga q, colocada entre as placas, ficará sob a ação de duas forças :  a força  F₀ , devida às cargas nas placas A e B, e a força F_p de sentido contrário a F₀ , devido ás cargas de polarização. Então. A força elétrica F  que estará atuando sobre a carga q  será a resultante de F₀ e F_p .  Seu módulo será, evidentemente,

                                               F = F₀ – F_p     logo      F < F₀

            Portanto, a força elétrica, F , sobre a carga q, é  menor do que o valor F₀  no vácuo, em virtude do aparecimento das cargas de polarização que dão origem á força F_p ( de sentido sempre contrário a F_o). Para qualquer dielétrico, verifica-se que o valor das cargas de polarização é sempre inferior ao valor das cargas responsáveis pela polarização é sempre inferior ao valor das cargas responsáveis pela polarização ( cargas nas placas). Consequentemente, tem-se F_p < F_o,  e a força F  nunca se anulará.  Além disso, quanto maior for o grau de orientação e alinhamento apresentado pelo dielétrico ( maior polarização), maior será o valor de  F_p e, portanto, menor será o valor de F.

            Como a constante dielétrica é dada por  K = F₀ /F,  pode-se concluir que K é uma característica do meio tal que, quanto maior for o seu valor, maior o grau de polarização que ele adquire na presença de cargas elétricas.

            Em resumo, a constante dielétrica  K  mede uma característica microscópica de um meio material – sua propriedade se apresentar um maior ou menor grau de polarização.

            Esta análise foi feita para a situação particular. Entretanto, pode-se mostrar que é geral, aplicando-se a qualquer situação.

Por exemplo, F_o representa a força com que  cargas pontuais, Q₁ e Q₂, se repelem no vácuo. Se estas cargas forem mergulhadas me um dielétrico, ele se polariza e as cargas de polarização  darão origem à forças  F_p, contrária a F₀ . A força elétrica que atua em cada carga passa, então, a ter uma valor F < F₀, dado por  F = F₀/K

           

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006

CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB ( 1736-1806) E A LEI DE COULOMB

CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB ( 1736-1806)

            Nasceu em Angoulência, na França, e è conhecido principalmente pela formulação de lei que traz o seu nome. Como engenheiro militar, Coulomb trabalhou durante nove anos na Índia, retornando á França dedicou-se às pesquisas cientificas , tendo inventado a balança de Coulomb, dispositivo que lhe permitiu medir as forças elétrica com enorme precisão, levando-o a estabelecer sua celebre lei, Coulomb desenvolveu pesquisas também em outros campos: sobre o atrito elétrica no Sistema Internacional recebeu o nome de Coulomb em sua homenagem.  

LEI DE COULOMB

            Duas cargas pontuais, Q₁ e Q₂, separadas por uma distancia r, situadas no vácuo , se atraem ou se repelem com uma forças F dada por

                        /r₂

                                                               K₀ = 9,0 X 10 ⁹ N.m./C²

            Se estas cargas forem mergulhadas em um meio material, o valor das forças entre elas torna-se K vez menor, onde K é a constante dielétrica deste meio.

                                                                             

                       

Fonte: Luiz, Antônio Máximo Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física  vol 3- São Paulo;Scpione,2006