Introdução à Eletricidade: Cargas Elétricas, Eletrização e Propriedades dos Materiais, Esquemas de Eletricidade Básica

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ELETRICIDADE

Alexsandra Rospirski

Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: „ Construir um modelo de carga e explicar fenômenos elétricos básicos. „ Diferenciar os processos de eletrização. „ Identificar as propriedades elétricas de materiais isolantes e condutores. Introdução O desenvolvimento da eletricidade, assim como a descoberta do fogo, revolucionou completamente o rumo do Homo sapiens no planeta. Seria impossível imaginar o mundo atual sem as premissas de pensadores e os estudos sobre os átomos e as cargas nos últimos séculos. Neste exato momento, no ambiente em que você se encontra, há provavelmente centenas de materiais conduzindo a eletricidade e distribuindo cargas por átomos e moléculas. A consequência disso é o mundo em que vivemos — desde a praticidade que a energia elétrica trouxe até os prazeres que as novas tecnologias possibilitam. Neste capítulo, você vai conhecer um pouco mais sobre eletricidade. Em essência, vai estudar cargas e forças elétricas, bem como os processos de eletrização, que formam o conteúdo base para entender a eletricidade de modo geral. Você vai ler também sobre como alguns materiais se comportam conduzindo eletricidade e classificá-los como isolantes ou condutores.

Existem dois tipos de carga elétrica: as positivas e as negativas. Os seus valores absolutos são iguais e de sinais contrários, anulando-se quando são somados. Portanto, um sistema composto pela mesma quantidade de cargas positivas e negativas é chamado de carga nula. Segundo Alexander e Sadiku (2013), a carga de um único elétron foi definida como o valor negativo de aproximadamente 1,602 × 10−19. O valor absoluto desse número normalmente é representado pela letra “ e ” e é medido em Coulomb (C), em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806). Portanto, e = 1,602 × 10–19^ C qe = – e qp = + e qe + qp = 0 onde qe e qp é o valor da carga de um elétron e um próton, respectivamente, em Coulomb. A escolha convencional dos sinais das cargas se deve ao cientista e inventor Benjamin Franklin (1706–1790), um dos pioneiros no estudo da eletricidade. Veio dele também o princípio de conservação da carga , que diz que a carga elétrica total de um sistema isolado é conservada. Em outras palavras, a carga não é criada ou destruída: é simplesmente movida de um objeto para outro. Você viu que um átomo consiste, internamente, de um núcleo contendo prótons e nêutrons e, externamente, de elétrons. Cada próton possui uma carga positiva de valor “ e ”, que é anulada pela carga negativa de cada elétron. Os nêutrons possuem carga nula e estão fortemente ligados aos prótons, com uma interação que até hoje gera dúvidas aos cientistas. Todos os materiais possuem carga, uma vez que os átomos e as moléculas são formados por partículas carregadas. Contudo, dificilmente notamos os efeitos da carga elétrica, porque a maioria dos objetos é eletricamente neutra, ou seja, possui a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.

Portanto, quando um material é dito carregado negativamente, é porque ele possui mais cargas negativas do que positivas, ou seja, mais elétrons do que prótons. De forma análoga, um material carregado positivamente possui mais cargas positivas do que negativas, ou seja, mais prótons do que elétrons. O carregamento (ou descarregamento) de um material é geralmente ocasio- nado por um processo de eletrização, em que não ocorre a modificação da estrutura nuclear do átomo. Isso significa que um átomo nunca perde prótons nesse processo, apenas recebe (ou perde) elétrons. Veja a representação desse fenômeno na Figura 2. Figura 2. Cargas elétricas. Conforme Bauer, Westfall e Dias (2012), o elétron é uma partícula elementar, e o valor da sua carga é a menor quantidade de carga elétrica já observada. As medições mostram que podem ser encontrados apenas múltiplos inteiros dessa quantidade mínima de carga elementar, e por isso dizemos que a carga elétrica é quantizada. Esses conceitos e as observações dos fenômenos elétricos já haviam sido vistos pelos gregos e pelos mais antigos Homo sapiens , que observavam con- fusamente raios partindo o céu. A partir disso, foi fundamentado o princípio mais crucial da eletricidade: a lei das cargas elétricas. Essa lei diz que cargas de mesmo sinal se repelem, e as de sinais oposto se atraem (Figura 3).

A partir dessa separação, foi possível explicar o que acontece com os ma- teriais nos quais os fenômenos elétricos ocorrem. Por exemplo, ao aproximar um balão eletrizado do seu cabelo eletricamente neutro, as cargas do balão vão atrair as cargas opostas do seu cabelo, criando uma força de atração entre os materiais e fazendo o seu cabelo “grudar” no balão, como mostra a Figura 5. Figura 5. Atração do cabelo com o balão eletrizado. Fonte: Livi (2014, documento on-line). Nesta seção, você viu o conceito primordial da eletricidade — a carga elétrica — e como essas cargas se comportam. Viu também que, devido às investigações dos fenômenos elétricos mais básicos, foi possível aos pensado- res concluírem como as forças elétricas se comportavam, bem como as suas consequências para o ambiente. A seguir, você lerá sobre o que ocorre para que os materiais se tornem carregados e como isso ocorre, além de ver outros exemplos de fenômenos elétricos.

2 Processos de eletrização Na prática, os átomos dos objetos adquirem carga positiva não por ganharem prótons, mas por perderem elétrons. Os prótons estão extremamente firmes e ligados ao interior do núcleo, e não podem ser adicionados ou removidos do átomo. Por outro lado, os elétrons estão ligados mais frouxamente ao núcleo e podem ser removidos com maior facilidade. O processo de remoção de um elétron do átomo é chamado de ionização e, quando isso acontece, o átomo é chamado de íon positivo, com carga líquida de q = +e. Alguns átomos podem acomodar um elétron extra e, assim, tornarem-se um íon negativo, com uma carga líquida q = – e. Conforme Knight (2009), as forças de atrito geradas pela fricção de dois materiais quebram as ligações moleculares das suas superfícies. As moléculas desses materiais, que até então eram eletricamente neutras por natureza, tornam-se um montante de íons positivos e negativos. Dessa forma, íons positivos permanecem em um material, e íons negativos no outro, de modo que um dos objetos friccionados fica com uma carga líquida positiva e o outro, com uma carga líquida negativa (Figura 6). Figura 6. Processo de eletrização por atrito. Fonte: Adaptada de Knight (2009). Molécula eletricamente neutra (^) Átomos Íon molecular positivo Esta metade da molécula perdeu um elétron na quebra da ligação. Esta metade da molécula ganhou um elétron extra na quebra da ligação. Íon molecular negativo Estas ligações foram quebradas pela fricção. Ligação Fricção Assim, explica-se o fenômeno elétrico resultante da ação de esfregar o pano em um pedaço de âmbar. Com a fricção, são acumulados íons negativos na superfície do âmbar e íons positivos na do pano. Esse processo é denominado de eletrização por atrito e funciona melhor para grandes moléculas orgânicas. Os metais geralmente não podem ser carregados por atrito, apesar de serem ótimos condutores de eletricidade, pois possuem elétrons fracamente ligados aos seus núcleos. A Figura 7 mostra mais detalhadamente esse processo de eletrização.

Fonte: Adaptado de Netto (2013). + Cabelo Vidro liso Pele humana Poliamida sintética Algodão Seda Papel ou papelão Couro Porcelana Papel de alumínio Madeira Cortiça Pano de acrílico Isopor Saco plástico Canudo plástico Acrílico rígido Tubo de PVC Borracha dura

- Quadro 1. Tabela triboelétrica

Figura 8. Eletrização por indução: polarização do material neutro. Agora, analise o exemplo mostrado na Figura 9. Figura 9. Processo de eletrização por indução. Fonte: Hewitt (2015, p. 414). Segundo Hewitt (2015), em (a) são apresentadas duas esferas metálicas em contato, ambas suspensas necessariamente por um material isolante, formando um único condutor inicialmente neutro. Em (b), ao aproximar um bastão negativamente carregado da esfera A, as cargas negativas das duas esferas, seguindo a lei das cargas elétricas, movem-se para a esfera B, na tentativa de se distanciarem do bastão. As duas esferas de metal estão agora polarizadas. Em seguida, as esferas em (c) são separadas, e ainda há a presença do bastão. As cargas que estavam polarizadas permanecem nas suas respectivas esferas, ou seja, a esfera A está carregada positivamente, e a esfera B, nega- tivamente. Por fim, em (d), ao distanciar o bastão das esferas, as suas cargas permanecem como em (c), e é dito que as esferas sofreram um processo de eletrização por indução.

O termo aterramento se refere ao descarregamento por contato com a Terra. Ao dizer que o corpo está “aterrado”, queremos dizer que pelo menos uma parte desse corpo está conectado à Terra por meio de um material condutor. A cada instante, incontáveis descargas elétricas ocorrem com o planeta. Porém, devido à sua dimensão, elas se tornam insignificantes, e a sua carga líquida permanece praticamente nula. Podemos dizer que a Terra é considerada eletricamente neutra. Nesta seção, você estudou as formas de se eletrizar um material e o que ocorre, estruturalmente, com os seus átomos. Na seção seguinte, verá como as propriedades estruturais dos átomos influenciam na sua capacidade de conduzir a eletricidade — e, a partir disso, como classificá-los. 3 Propriedades elétricas dos materiais Historicamente, a evolução da humanidade anda lado a lado com a evolução e a descoberta dos materiais. Na Pré-História, os homens eram sujeitos a usar o que a natureza disponibilizava, e as suas descobertas marcaram as etapas da história, como na Idade da Pedra, na Idade do Ferro e na Idade do Cobre ou do Bronze (SMITH; HASHEMI, 2012). Apesar de não ser nomeada dessa forma, a atualidade poderia ser chamada como a Idade do Silício, um material semicondutor que permitiu o grande desenvolvimento da eletrônica, sendo o principal responsável por todo o avanço tecnológico existente na humanidade. Para compreender realmente a eletricidade e o seu vasto universo, não se pode deixar de lado a importância das propriedades elétricas dos materiais utilizados tanto para o seu transporte quanto para a sua proteção e geração. O comportamento físico de um material diante de uma carga elétrica pode classificá-lo em quatro famílias: condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores.

Condutores e isolantes

Os condutores e isolantes são as duas grandes famílias de materiais elétricos e possuem propriedades elétricas, em certo sentido, opostas. Essa classificação é dada em relação à resistência que o material oferece ao movimentar um fluxo de cargas pela sua estrutura.

A massa de um elétron é muito menor do que a de um próton ou de um nêutron. Portanto, a maior parte da massa de um átomo reside no seu núcleo. Assim, os elétrons podem ser removidos dos átomos com relativa facilidade em certos materiais. Por isso, geralmente os elétrons são os portadores da eletricidade. Uma representação microscópica de um isolante e de um condutor é mostrada na Figura 12. De acordo com Knight (2009), no material isolante, os elétrons estão fortemente conectados ao núcleo atômico, não conseguindo se desprender dele, o que impossibilita que se movimentem livremente. Já no caso dos condutores, os elétrons da camada de valência da eletros- fera (camada mais afastada do núcleo) estão fracamente ligados ao núcleo. A junção de vários átomos de um material condutor faz com que esses elétrons fracamente conectados ao núcleo se desprendam do átomo, movimentando-se livremente pelo material (elétrons livres). Apesar de esses materiais apresen- tarem elétrons se movimentando livremente — criando um “mar de elétrons” —, eles permanecem eletricamente neutros, porque nenhum elétron foi adi- cionado ou removido durante esse processo: eles apenas foram desacoplados do átomo. Assim, os condutores têm uma grande facilidade em movimentar elétrons quando forças elétricas são submetidas ao material. Esse fluxo de cargas é denominado de corrente. Figura 12. Uma visão microscópica dos isolantes e condutores. Fonte: Adaptada de Knight (2009). Isolante Metal Núcleo Elétrons do caroço Elétrons de valência Os elétrons de valência estão fortemente ligados. Os elétrons de valência formam um “mar de elétrons”. Íons positivos do caroço

Semicondutores

As propriedades elétricas dos materiais semicondutores são intermediárias às propriedades dos condutores e isolantes. Esses materiais são compostos por propriedades únicas, capazes de desempenhar funções que revolucionaram a história da eletrônica, possibilitando todo o desenvolvimento tecnológico existente hoje. São exemplos de semicondutores o germânio (Ge) e o silício (Si), que são os materiais semicondutores mais utilizados, em função das suas excelentes propriedades elétricas, bem como da sua abundância na natureza. Esses com- ponentes, na sua forma pura, não são bons condutores nem isolantes; porém, quando se adicionam mínimas impurezas na sua estrutura cristalinas, são capazes de operar ora como condutores, ora como isolantes. Com a descoberta desses semicondutores, nos anos 1970, desenvolveram-se os transistores, que são dispositivos eletrônicos responsáveis pelo desenvolvi- mento de todos os demais dispositivos eletrônicos existentes. A partir da sua criação, foi possível a construção de processadores, computadores, celulares e todas as tecnologias indispensáveis atualmente. Uma forma simples de explicar como funcionam os transistores é compará- -los a um interruptor de luz que controla o fluxo de carga em um sistema. Ao receber um comando elétrico, o transistor se comporta como um condutor; ao receber novamente esse comando, comporta-se como um isolante, contro- lando o momento exato de um fluxo de carga. O Vale do Silício, localizado na costa oeste dos Estados Unidos, é o maior polo de inovação do mundo. Nessa região, estão situadas as maiores empresas de tecnologia nas áreas da eletrônica e da informática, como Facebook, Apple, Google, eBay, San- Disk, Asus, entre outras. Esse polo de inovação recebeu esse apelido em função do semicondutor silício, responsável pela produção e evolução de todas as tecnologias de circuitos integrados e eletrônicos.

Supercondutores

Os condutores, apesar de apresentarem facilidade no transporte de carga elétrica, têm uma pequena resistência, que é responsável por transformar a energia elétrica transmitida em calor — denominado de perda elétrica. Em linhas de transmissão de energia com mais de 400 km de extensão, isso pode resultar em perdas de mais de 10% da energia transferida. Devido a esse e a outros fatores, muitos cientistas tentaram encontrar materiais capazes de realizar o transporte de carga com uma resistência nula. Com isso, em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh-Onnes observou que, ao resfriar um condutor de mercúrio a –269,15°C, a sua resistência elétrica se anulava, o que o tornava um material supercondutor. A utilização de supercondutores ainda está muito limitada aos ramos de transmissão de energia, principalmente porque o material precisa estar operando em temperaturas extremamente baixas. Porém, com o desenvol- vimento de novas tecnologia e o avanço das pesquisas na área, futuramente esses materiais talvez possam ser implementados mais facilmente à realidade. Em função das suas propriedades elétricas, os supercondutores também são capazes de gerar campos magnéticos poderosos. Esses supercampos magnéticos são aplicados, na prática, em trens de levitação magnética, capazes de atingir velocidades de até 600 km/h. ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. N. O. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. ANDRAPLAN CONSULTORIA. Consultoria para certificação de condutores elétricos. 2010. Disponível em: https://andraplan.com.br/servicos/condutores-eletricos.html. Acesso em: 08 jun. 2020. BAUER, W.; WESTFALL, G. D.; DIAS, H. Física para universitários: eletricidade e magnetismo. Porto Alegre: AMGH, 2012. HEWITT, P. G. Física conceitual. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. KNIGHT, R. D. Física: uma abordagem estratégica. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009. (Eletricidade e Magnetismo, v. 3).