Observe que a carga total antes e depois do processo é nula,
conservando-se portanto.
. Neste caso, dois núcleos de
Na primeira, o resultado é um núcleo de
trítio,
3H,, que possui 1p e 2n. Na
segunda, resulta o isótopo do hélio 3He, que possui 2p e
1
n. Nas duas possibilidades a soma final das cargas é
+ 2e,
idêntica à situação inicial.
1.1.2 - Quantização da carga
elétrica
No século XVIII, a carga elétrica era considerada como um
fluido continuo. Entretanto, no início do
século XX,
Robert MILLIKAN (1868-1953) descobriu que o fluido elétrico não era contínuo e, sim, que a
carga elétrica era constituída por um múltiplo inteiro de uma
carga
fundamental e, ou seja a carga
q de um certo objeto pode ser
escrita como
q = ne, com n = 1, 2, 3, ...
tendo e o valor de 1,60 x 10-19 C e
sendo uma das constantes fundamentais da natureza*.
Podemos então dizer que a carga elétrica existe em
pacotes discretos ou, em termos modernos, é "quantizada", não
podendo assumir qualquer valor.
Todos os objetos da natureza contém
cargas. Entretanto, na maioria das vezes não conseguimos percebe-las. Isto se
deve ao fato de que os objetos contém quantidades iguais de dois tipos de
cargas: cargas positivas e cargas negativas (conforme estabelecido
por Franklin). Assim, a igualdade leva ao equlíbrio de cargas, e dizemos que os
objetos são eletricamente neutros, ou seja, não possuem uma carga
líquida. Por outro lado, se o equlíbrio for desmanchado, dizemos que que ele
está eletrizado, i.e, uma carga líquida existirá, e o corpo poderá
interagir eletricamente.
Outras experiências da época de Millikan
mostraram que o elétron tem carga -e e o próton +e, o que assegura
que um átomo neutro tem o mesmo número de prótons e elétrons. A Tabela 1.1
abaixo sumariza as cargas e massas dos constituíntes atômicos de interesse.
Tabela 1.1
| Partícula |
Carga (C) |
Massa (Kg) |
| elétron |
1,6021917 x 10-19 |
9,1095 x 10-31Kg |
| próton |
1,6021917 x 10-19 |
1,67261 x 10-27Kg |
| nêutron |
0 |
1,67492 x 10-27Kg |
|
* Obs.: Na realidade, uma carga livre menor do que e
nunca foi observada. Entretanto, teorias modernas propõem a existência de
partículas com cargas fracionárias, os quarks, com cargas
±e/3 e ±2e/3. Tais partículas seriam as constituíntes de várias
outras partículas conhecidas, inclusive do próton e do nêutron. Indícios
experimentais sobre a existência destas partículas no interior dos núcleos
atômicos existem, embora elas nunca tenha sido encontradas livremente.
|
Quanto a capacidade de conduzirem cargas elétricas, as
substâncias podem ser caracterizadas como
isolantes e
condutores.
Isolantes são aquelas substâncias nas
quais as cargas elétricas não podem se mover livremente com facilidade. Como
exemplos, podemos citar a borracha, o vidro, o plástico e a água pura, entre
outros.
Por outro lado, os
condutores são aqueles materiais nos
quais a movimentação das cargas (negativas, em geral) pode ocorrer livremente.
Exemplos: metais, água da torneira, o corpo humano.
Mais recentemente,
surgiram duas novas categorias para os materiais. Os
semicondutores
apresentam-se agora como uma terceira classe de materiais. Suas propriedades de
condução elétrica situam-se entre as dos isolantes e dos condutores. Os exemplos
mais típicos são o silício e o germânio, responsáveis pelo grande
desenvolvimento tecnológico atual na área da microeletrônica e na fabricação de
microchips.
Por fim, temos os
supercondutores, materiais
que a temperaturas muito baixas não oferecem resistência alguma a passagem de
eletricidade. Foi descoberta 1911 por
Kammerlingh
ONNES que a observou no mercúrio sólido (à
temperatura de 4,2 K). Atualmente já estão sendo desenvolvidas ligas (à base de
Nióbio) que sejam supercondutoras a temperaturas mais elevadas facilitando,
assim, sua
utilização tecnológica.
Dois são os métodos de eletrização mais conhecidos e
utilizados: eletrização por condução (ou por "fricção") e eletrização
por indução.
A eletrização por condução se dá quando
friccionamos entre si dois materiais isolantes (ou condutores isolados)
inicialmente descarregados, ou quando tocamos um material isolante (ou condutor
isolado) inicialmente descarregado com outro carregado. Durante o contato,
ocorre uma transferência de elétrons entre os dois objetos.
Suponhamos que carreguemos desta forma um bastão de borracha atritado com pele
de animal e uma barra de vidro atritada com seda. Se suspendermos o bastão de
borracha por um fio isolante e dele aproximarmos outro bastão de borracha
carregado da mesma maneira, os bastões repelir-se-ão. O mesmo acontece para dois
bastões de vidro, nesta situação.
Por outro lado, se aproximarmos a
barra de vidro ao bastão de borracha, ocorrerá uma atração entre eles.
Evidentemente constatamos que a borracha e o vidro têm estados de eletrização
diferentes, e pela experiência concluímos que;
| - cargas iguais se repelem;
|
| - cargas diferentes se atraem.
|
Franklin convencionou que a carga da barra de vidro é
positiva e a do bastão de borracha é
negativa.
Assim, todo o corpo que for atraído pelo bastão de borracha (ou repelido pelo
bastão de vidro) deve ter carga positiva. Da mesma forma, todo o corpo que for
repelido pelo bastão de borracha (ou atraído pela barra de vidro) deve ter carga
negativa.
No processo de
eletrização por indução não há
contato entre os objetos. Através da indução podemos carregar os materiais
condutores mais facilmente. Vejamos como isto é possível.
Suponhamos que
aproximemos o bastão de borracha (carga negativa) de uma barra metálica isolada
e inicialmente neutra. As cargas negativas (elétrons) da barra metálica serão
repelidas para regiões mais afastadas e a região mais próxima ao bastão ficará
com um excesso de cargas positivas. Se agora ligarmos um fio condutor entre a
barra metálica e a terra (o que chamamos de
aterramento), os elétrons
repelidos pelo bastão escaparão por este fio, deixando a barra carregada
positivamente tão logo o fio seja removido.
Se, por outro lado, fôsse a
barra de vidro (carga positiva) aproximada da barra metálica, esta última
ficaria carregada negativamente, pois pelo fio condutor aterrado seriam atraídos
elétrons da terra.
Observe que, em ambos os processos, os bastões
carregados (indutores)
não perderam carga alguma.
Situação
parecida ocorre quando aproximamos objetos carregados dos isolantes. Novamente
as cargas serão separadas no material isolante e, uma vez afastado o bastão
indutor, as cargas não retornam às suas posições iniciais devido à pouca
mobilidade que possuem no isolante. Dizemos então que o isolante ficou
polarizado. O fenômeno da
polarização será estudado em
detalhes quando estudarmos os
dielétricos.
Realizando experências com sua
balança de torsão,
Coulomb conseguiu
estabelecer duas novas características fundamentais da força elétrica entre duas
cargas puntuais:
| - é inversamente proporcional ao quadrado da
distância entre as cargas (dirigida ao longo da reta que as une);
|
| - é proporcional ao produto das cargas.
|
Estas observações, em conjunto com a
repulsão/atração entre as cargas de sinais iguais/contrários,
permitiram que ele formulasse, em 1785, a lei de força para a interação
eletrostática entre duas cargas puntuais, que ficou conhecida como Lei de
Coulomb. Das observações experimentais, escreveu para o módulo desta
força
onde
k é uma constante,
qi
é a carga da partícula
i
e
r é a separação entre elas.
O valor da constante
k
(conhecida como
constante eletrostática ou
de Coulomb) depende da
escolha do sistema de unidades escolhido. No Sistema Internacional (
SI)
de unidades, a unidade da carga elétrica é o
Coulomb (C), que é definida
como
a carga que elétrica que atravessa um condutor em 1
segundo (s), quando a corrente elétrica é de 1 ampère (A), que será
definido mais adiante. Assim,
experimentalmente,
Para
simplificar os cálculos, usaremos o
valor aproximado
. A
constante
k pode ser também escrita como
onde
eo [ = 8,88542 x 10
-12C
2/(Nm2)]
é a constante de permissividade elétrica do vácuo, com vistas a
simplificação de várias outras fórmulas.
Conhecendo-se a expressão para
a intensidade da interação elétrica entre duas cargas puntuais, devemos agora
estabelecer sua direção e seu sentido, uma vez que a
força elétrica é uma
grandeza vetorial.
Já dissemos anteriormente que a
força atua ao longo da
reta que une as duas cargas. Veja Fig. 1.1.a ao lado que mostra duas cargas
positivas e duas cargas negativas interagindo. A força que a carga
q1 exerce sobre a carga
q2 (de mesmo sinal)
é , vetorialmente,
onde
é o vetor unitário
que define a linha que une as duas cargas e aponta de
q1 para
q2 . Como a força elétrica é uma força de interação, a 3a. Lei
de Newton nos diz que a carga
q2 exerce sobre
q1 uma força igual e contrária, ou seja,
Temos assim
a
configuração de repulsão entre as cargas de mesmo sinal.
A Fig.
1.1.b mostra a orientação para as forças quando as cargas são de sinais
contrários, ou seja, a
configuração de atração entre elas.
Se tivermos uma distribuição com n cargas, a força
resultante em qualquer uma delas será dada pela soma vetorial das
forças devidas às outras cargas. Desta forma, podemos escrever para a força
resultante sobre a carga j como
.
Temos assim a
superposição das forças
eletrostáticas, que é um fato verificado experimentalmente.
.