A Corrente Elétrica

A Corrente Elétrica

Aqui está um exemplo da aplicação da corrente elétrica em nosso dia a dia e a vídeo resolução de alguns exercícios sobre corrente elétrica. Em caso de dúvidas, perguntem nos comentários!

Circuitos Série e Paralelo

Resolução de Exercícios sobre Corrente Elétrica

Corrente Elétrica

A corrente elétrica é definida como fluxo ordenado de cargas, devido a uma diferença de potencial, mantida por uma fonte de tensão (gerador). Para entendermos melhor, faremos uma analogia (comparação): imaginem um escorregador, desses que existem em praças para crianças, agora, um menino deixa uma bola escorregar pela rampa do alto até o chão. Para que a bola novamente faça o percurso é necessário que o menino a pegue, suba as escadas e a abandone novamente do alto. Certo? Pois é, nesse caso podemos pensar que a bola faz o papel de elétron, que constitui a corrente elétrica e o menino é gerador que concede energia para que o elétron execute o circuito (percurso).  No caso do circuito elétrico é o gerador que concede energia para que o elétron percorra o circuito e se estabeleça a corrente elétrica. Abaixo, a figura 1 que mostra um escorregador (semelhante ao mencionado) e a figura 2 que mostra a corrente elétrica em um fio condutor:

Fig1: Escorregador                                                                                                                                                                    Fig.2: Corrente elétrica

                                                                                                                                                                 

É importante destacar que o sentido real da corrente é dado pelo movimento dos elétrons, ou seja, do polo negativo ao polo positivo do gerador e o sentido convencional é ao contrário. A corrente pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases, no entanto, em nosso estudo da eletrodinâmica, trabalharemos apenas com a corrente em fios condutores, logo em sólidos. 

O Cálculo da intensidade da corrente elétrica é feito pela divisão da quantidade de carga que atravessa o fio pela unidade de tempo, isto é:

                                            

onde i é a intensidade de corrente elétrica, medida em amperes (A); Q é quantidade de carga, medida em coulombs (C) e Δt é intervalo de tempo, medido em segundos (s).

Lembrando que:  Q = n.e (número de carga em excesso  X  carga elementar)

Referências:

ALVARENGA, Beatriz; MÁXIMO, Antônio. Curso de Física, vol. 3. Editora Scipione. São Paulo. 6ª edição. 2007

http://tudoeletrica.blogspot.com.br/p/corrente-eletrica.html
http://osfundamentosdafisica.blogspot.com.br/2010_09_01_archive.html

Gerador de Van de Graaff

ROTEIRO - GERADOR DE VAN DE GRAAFF 

• O que é o Gerador de Van de Graaff? 

O gerador de Van de Graaff  é uma máquina eletrostática, mas o que essa máquina eletrostática faz?  

O gerador consiste em um motor que vai girar a correia, que em atrito com os roletes de plástico, vão gerar eletricidade, e essa eletricidade vai se distribuir por toda a correia chegando até o coletor de metal através do ar, por meio desse coletor a superfície interna da esfera será eletrizada e assim toda a esfera metálica ficará carregada.

Atividades com o gerador de Van de Graaff: 

ATIVIDADE 1 

• DESCARGAS ELÉTRICAS 

Após ligar o gerador, aproximaremos a ele o bastão de madeira com a esfera metálica, que não tem carga elétrica, ou seja, é neutro. Após isso podemos observar que gera luz no ar entre a esfera no gerador e a esfera do bastão. Isso ocorre porque o ar está conduzindo as cargas da esfera maior, para a esfera menor. 

ATIVIDADE 2 

• CHAFARIZ DE PAPEL 

Colocaremos um copinho plástico com diversos pedaços de papel dentro dele, e colocaremos este copinho em cima da esfera metálica do gerador. Ao ligarmos o gerador, os papéis dentro do copinho irão voar. Isso acontece porque o copinho (que é neutro) está em contato com a esfera metálica, e haverá um compartilhamento das cargas, mas por ele estar em contato essas cargas serão positivas, ou seja, iguais as da esfera, fazendo com que haja uma repulsão entre eles. 

ATIVIDADE 3 

• ELETROSCÓPIO DE FOLHAS 

Colocaremos uma haste presa ao topo da esfera metálica, e nessas hastes colocaremos uma tira de papel alumínio dobrada ao meio. Quando ligarmos o gerador, essa tira se desdobrará e muito provavelmente cairá da haste. Isso acontece porque ambos vão estar eletrizados positivamente, e cargas iguais, novamente se repelem.  

ATIVIDADE 4 

• GIRO DO TORNIQUETE  

Colocaremos uma espécie de hélice presa ao topo da esfera. Quando ligarmos o gerador, essa hélice irá se movimentar como um catavento, isso acontece porque o ar se energiza com as cargas obtidas pela esfera e acaba girando as hélices. 

Exercícios resolvidos sobre processos de eletrização e carga elétrica

    1)     Três esferas metálicas, X, Y e Z, idênticas apresentam, respectivamente, cargas -2Q, nula e +4Q. Primeiro colocamos a esfera X em contato com a Y e depois colocamos Y em contato com a Z. Podemos afirmar que após esse procedimento as esferas X, Y, e Z apresentarão cargas, respectivamente, iguais a:

a)     –Q, +Q, +3Q

b)    Nula, -Q, +3Q

c)     +Q, +Q, +2Q

d)    +2Q/3, +2Q/3, +2Q/3

e)     –Q, +3Q/2, +3Q/2

RESOLUÇÃO

Primeiramente, deve-se analisar que a questão afirma que a eletrização é por contato. Logo, as cargas entre as esferas são divididas.

X = -2Q

Y = 0

Z = +4Q

1º situação: X faz contato com Y:

Portanto, as esferas X e Y assumem o mesmo valor, -Q.

2º situação: Y entra em contato com Z. Como Y entrou em contato com X, na primeira situação, usaremos o novo valor dele:

Logo, os valores das cargas X, Y, e Z serão, respectivamente, -Q, -3Q/2 e -3Q/2.

     2) (PUC-SP) A corrente elétrica através de um fio metálico é constituída pelo movimento de:

a) cargas positivas no sentido da corrente.

b) cargas positivas no sentido oposto ao da corrente.

c) elétrons livres no sentido oposto ao da corrente.

d) íons positivos e negativos.

e) nenhuma resposta satisfatória.

RESOLUÇÃO

Nenhuma resposta é satisfatória, pois uma corrente elétrica é constituída por elétrons livres em movimento ordenado.

3) Quando um bastão eletricamente carregado atrai uma bolinha condutora A, mas repele uma bolinha condutora B, conclui-se que:

a)     A bolinha B não está carregada.

b)    Ambas as bolinhas estão carregadas igualmente.

c)     Ambas as bolinhas podem estar carregadas

d)    A bolinha B deve estar carregada positivamente

e)     A bolinha A pode não estar carregada.

RESOLUÇÃO

A bolinha “B” possui mesma carga que o bastão, por isso ela é repelida e existe a possibilidade da bolinha A não estar carregada ou possuir carga contrária ao bastão. Como nas alternativas existe apenas a opção que a bolinha A pode não possuir carga, a alternativa “e” está correta.

4)  (FESP) – Atrita-se um bastão de vidro com um pedaço de lã, ambos, inicialmente neutros. Pode-se afirmar que:

a) só a lá fica eletrizada.

b) só o bastão fica eletrizado.

c) nenhum dos dois fica eletrizado.

d) o bastão e a lá se eletrizam com cargas de mesmo sinal.

e) bastão e lá se eletrizam com cargas de sinais opostos.

RESOLUÇÃO

Como o processo de eletrização é por atrito, os objetos ficam com cargas de sinais opostos. Logo, a resposta é a alternativa “e”.

    5) (UFG-GO)   Um corpo possui carga elétrica de 1,6 µC. Sabendo-se que a carga elétrica fundamental é 1,6 x 10^-19 C, pode-se afirmar que no corpo há uma falta de, aproximadamente:

a) 10¹⁸ elétrons.                       d) 10¹⁹  elétrons.

b)10¹³    elétrons.                      e) 10²⁵  elétrons.

c) 10¹⁰  elétrons.

RESOLUÇÃO

1,6 µC = 1,6.10^-6 C

Se a carga fundamental é de 1.6.10^-19C e o corpo possui apenas 1,6.10^-6 C, logo, existe a deficiência de 10¹³ elétrons para completar a sua carga fundamental.

Fundamentos sobre carga elétrica, força eletrostática e campo elétrico

Carga elétrica 

Tudo que existe no universo é formado por átomos, que são partículas imensamente pequenas e invisíveis a olho nu – possuem tamanho de 1 picometro, que é igual a 0,000 000 000 001 metros. Esses átomos são formados por partículas ainda menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. 

Alguns materiais possuem uma característica que permite a movimentação de elétrons. Isso acontece por que, na sua composição, eles possuem elétrons livres. A essa característica, é atribuído o nome de condutor elétrico, como por exemplo, o ferro ou o cobre. Os materiais que não conduzem eletricidade são chamados de isolantes elétricos, como a borracha ou o papel.

Carga
Elétron	Negativo
Próton	Positivo
Nêutron	Possui carga nula

Quantização de carga elétrica

Foi feito uma experiência na qual se verificou que o valor da carga de um próton ou elétron é igual. Para isso, foi atribuído o nome de carga elementar e o valor de 
1,6.10^-19 C (Coulomb).

Com isso, pode-se saber a carga elétrica de um corpo através da expressão:

Q = n . e

Sendo “n”, o número de partículas em excesso de um corpo e “e” o valor da carga elementar.

IMPORTANTE

·         

  Se dissermos que um corpo está negativamente carregado, significa que ele possui elétrons em excesso;

·       

     Se dissermos que um corpo está positivamente carregado, significa que ele possui prótons em excesso;

·       

        Se dissermos que um corpo está neutro, significa que ele possui a mesma quantidade de prótons e elétrons.

CURIOSIDADE

No Sistema Internacional (SI), o valor da unidade de carga elétrica, Coulomb, corresponde a cerca de 6,24.10¹⁸ elétrons.

Exemplos:

   1)     Se um corpo neutro receber dois elétrons, qual será a sua carga?

Q = ?

 n = -2

 e = 1,6.10^-19 C

Q = -2 . 1,6.10^-19 C

Q = -3.2. 10^-19 C

   2)     Se um corpo com dois elétrons em excesso perder três elétrons, qual será a sua nova carga elétrica?

Q = ?

 n = -2 – (-3) = +1

 e = 1,6.10^-19 C

Q = +1. 1,6.10^-19 C

Q = + 1,6.10^-19 C

Como o corpo possuía dois elétrons em excesso e perder três, ele ficou com um próton em excesso, obtendo carga positiva.

Força eletrostática

Considerando duas cargas elétricas, Q e q, separadas por uma distância d, observamos que surge uma força de repulsão ou atração entre elas. Para ficar mais fácil, veja a imagem abaixo:

Quando duas partículas com carga estiverem em seus “campos de interatividade” uma influenciará a outra, e assim, surgirá uma força que poderá atrair as duas cargas ou repulsa-las. Essa repulsão e atração acontecem por causa dos sinais de cada partícula, lembrando que, sinais iguais se repelem e sinais opostos se atraem.

LEI DE COULOMB

“A intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.”

Sendo k a constante de proporcionalidade com o valor de 9.10⁹ N.m²/C².

RESUMINDO

Exemplo

Duas cargas elétricas iguais de valor 2.10^-6C estão afastadas a uma distância de 2m. Sendo k = 9.10⁹ N.m²/C², calcule a força eletrostática.

d = 2m

F = ?

 Q₁ = Q₂ = 2.10^-6 C

Campo elétrico

Para entendermos o que é um campo elétrico, vamos primeiro entender o campo gravitacional do planeta terra, o qual exerce uma atração com os corpos que estão dentro da sua área de influência, como por exemplo, a lua, os carros e até mesmo nós. Isso acontece porque, com a sua massa, nosso planeta causa uma perturbação no espaço, fazendo com que os corpos sejam atraídos. O mesmo acontece com o sol, pois, por possuir uma enorme massa, ele atrai a terra e todos os outros planetas do sistema solar para a sua volta.

É por causa dessa atração gravitacional que as coisas caem no chão e também, é o motivo pela qual os foguetes precisam de tanta energia para sair da órbita da terra!

Com o campo elétrico acontece algo semelhante: quando colocamos uma carga elétrica q, e essa carga sofre influência, seja de atração ou repulsão, dizemos que existe um campo elétrico naquele lugar e ele é criado por uma carga geradora Q. 

A representação do campo elétrico é feita de forma vetorial e sua intensidade é dada por

Onde F é o módulo da força que é exercida sobre a carga de prova q e E é expresso em N/C.

Como a carga q sofre influência pela carga geradora Q, e, considerando que elas estão a uma distância d, então temos,

IMPORTANTE

·         A direção do vetor E é a mesma da força F, enquanto o sentido do vetor E depende do sinal da carga geradora;

·         K é uma constante de proporcionalidade com o valor de 9.10⁹ Nm²/C².

Exemplos

   1)     Determine a intensidade do campo elétrico a 3,0 cm de uma carga puntiforme

Q = +2,010^-6 C, no vácuo. Dado k = 9,0.10⁹ unidades do SI.          

RESOLUÇÃO

Como o exercício indica uma distância entre a carga e o campo elétrico, usaremos a fórmula

Extração dos dados do problema:

 d = 3,0cm = 3.10^-2  cm

 Q = +2,010^-6 C

k = 9,0.10⁹

    2)     (UFRGS) - O módulo do vetor campo elétrico produzido por uma carga elétrica puntiforme em um ponto P é igual a E. Dobrando-se a distância entre a carga e o ponto P, por meio do afastamento da carga, o módulo do vetor campo elétrico nesse ponto muda para:

      a)E/4
b)E/2
c)2E
d)4E
e) 8E

RESOLUÇÃO

Considere o módulo do vetor campo elétrico como 

 Se dobrarmos a distância, não será mais d², mas sim, 2d². Após essa análise, basta apenas colocar a nova informação na fórmula e extrair o resultado:

Um pouco sobre a vida de três ícones da Física

Isaac Newton

Isaac Newton nasceu na Inglaterra no dia 4 de janeiro de 1643. Seu pai, chamado também Isaac, morreu poucas semanas antes do nascimento do seu filho. Sua mãe, Hannah, o criou sozinha até os 3 anos, quando se casou novamente e Isaac foi morar com os avós, alguns anos depois se mudou para a cidade de Grantham para estudar na King’s School, onde se dedicou muito aos seus estudos.

Isaac Newton frequentou a faculdade de Trinity College, na Universidade de Cambridge. Um pouco antes de se formar, a peste bubônica atingiu a Inglaterra, e a universidade ficou fechada por praticamente 2 anos. Durante este período ele se dedicou a trabalhos e descobertas.

Isaac foi um grande físico, matemático e alquimista. Foi no campo da matemática em que ele criou seu famoso binômio de Newton. Na física, Isaac ficou conhecido como pai da mecânica clássica, devido suas Leis de Newton que regem o movimento dos corpos. Newton também foi responsável pela Teoria Gravitacional, que explica a relação que um corpo flui em outro, através da atração da gravidade. Isaac também estudou e desenvolveu diversas pesquisas e descobertas no campo da Óptica, sendo responsável por teorias a respeito das Luzes e Cores. Também foi o criador dos primeiros telescópios refletores.

Isaac Newton morreu em 20 de março de 1726, aos 84 anos, devido a causas naturais, tendo sua idade como extremamente elevada aos padrões de mortalidade da época.

Albert Einstein

Albert Einstein nasceu na Alemanha, no dia 14 de março de 1879. Seu pai Hermann Einstein, era judeu, assim como sua mãe, Pauline Koch. O caráter e a biblioteca de Hermann foram importantes para a formação do filho. Nos primeiros anos de sua vida, Einstein teve dificuldades para se expressar através da fala e era lento para aprender, o que deixava seus pais extremamente preocupados. Nos primeiros anos escolares, Einstein não se destacava nem pelas notas, nem pela assiduidade escolar.

Aos nove anos começou a estudar em Luitpold Gymnasium, local onde se interessou por geometria e álgebra, matérias nas quais ele progrediu rapidamente. Aos doze anos é um autentico gênio das matemáticas e admirador de Leibniz, Kant e Hume. Foi um problema para seus professores por eles não saberem responder suas perguntas e nem refutar seus questionamentos. Aos 16 anos abandonou a religião judaica e se libertou de qualquer tipo de dogma e imposição ideológica.

Em 1900, aos 21 anos, graduou-se pelo Instituto Politécnico de Zurich com as melhores notas. Em 1905, publicou “Annalen der Physik”, trabalhos sobre eletrodinâmica, dimensões moleculares, equivalência entre a massa inerte e a energia, o fenômeno fotoelétrico e os primeiros esboços sobre a Teoria da Relatividade, que anunciava o fato do movimento ser relativo aos corpos no espaço, visto que este carecia de dimensões e limites, e eram igualmente relativos. Logo após, Einstein aplicou a teoria da relatividade ao tempo. Investiga o processo massa-energia, gerando sua conhecida fórmula: E=mc².

Em 1909, começou a trabalhar como professor na Universidade de Zurich, atividade que logo desenvolveu em Praga e Berlin. Em 1914, é nomeado professor da Academia Prussiana de Ciências e diretor do Kaiser Wihelm Institut. Separou-se da primeira mulher, Mileva Maric e casou-se com Elsa Einstein. Em 1915, completou o desenvolvimento da teoria da relatividade. Em 1921 recebeu o Premio Nobel de Física e em 1933 foi obrigado a deixar a Alemanha e partir para os EUA, pois era perseguido pelo nazismo por ser judeu e intelectual.

Einstein morreu no dia 18 de abril de 1955, aos 76 anos, devido a um aneurisma abdominal.

Stephen Hawking

Stephen Hawking nasceu dia 8 de janeiro de 1942 em Oxford. É um físico e cosmólogo britânico. Em 1959, com 17 anos de idade, entrou para a University College, em Oxford, onde estudou física e concluiu o curso em 1962. No mesmo ano, Hawking descobriu que possuía esclerose lateral amiotrófica, uma doença degenerativa que enfraquece os músculos do corpo. Mesmo doente, se tornou PhD. em cosmologia pelo Trinity Hall, em Cambridge, Inglaterra, em 1966.

Em 1970, Hawking iniciou o trabalho sobre as características dos buracos negros. Como resultado de sua pesquisa, descobriu que buracos negros emitem radiação. Em 1979, assumiu a posição de professor e retornou as pesquisas sobre as origens do Universo e mecânica quântica.

Em 1985, imobilizado numa cadeira de rodas e se comunicando através de um sintetizador de voz, Hawking dá continuidade à sua ciência. Foi autor de obras consagradas como “Uma breve história do tempo” de 1988, “Buracos Negros, Universos Bebês e Outros Ensaios” de 1993 e “O Universo numa Casca de Noz”, lançado no Brasil em 2001.

Hawking continua a ensinar e gosta de viajar com sua esposa e seus três filhos.

REFERÊNCIAS

PACIEVITCH, Thais. Biografia de Albert Einstein. IG Educação. InfoEscola – Navegando e Aprendendo. Disponível na Internet: http://www.infoescola.com/biografias/albert-einstein/. Capturado em 12 de abril de 2016.

DESCONHECIDO, Autor. Biografia de Stephen Hawking. Wikipédia, a enciclopédia livre. Disponível na Internet: https://pt.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking. Capturado em 12 de abril de 2016.

DESCONHECIDO, Autor. Físico Inglês – Stephen Hawking. UOL Educação. Autor da Página 3 de Pedagogia e Comunicação; Disponível na Internet: http://educacao.uol.com.br/biografias/stephen-hawking.htm. Capturado em 12 de abril de 2016.

INDEPENDENTE, Projeto; DESCONHECIDO, Autor. Biografia de Isaac Newton. Resumo completo: Vida e Obra de Isaac Newton. Disponível na Internet: http://www.biografiaisaacnewton.com.br/p/resumo-vida-e-obra-de-isaac-newton.html. Capturado em 12 de abril de 2016.