Universidade de So Paulo Instituto de Fsica de

Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC Carga elétrica Prof. Dr. José Pedro Donoso

Agradescimentos O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de expressar o seu agradecimento as editoras LTC (Livros Técnicos e Científicos), Pearson Education e AMGH. Parte das figuras utilizadas nos slides foram obtidas dos livros textos ”Fisica” de Tipler & Mosca, “Fundamentos de Física” de Halliday, Resnick e Walker e “Física III” de Young & Freedman, “Física para Universitários” de Bauer, Westfal e Dias, através do acesso ao material de apoio para os professores facilitados por essas editoras.

Acúmulo de cargas elétricas No tempo seco, os pedacinhos de papel são atraídos pelo pente Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Pedacinhos de papel atraídos pelo pente Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)

Carga por indução Quando se esfregam dois corpos, um deles fica com um excesso de elétrons. No gerador Vam de Graff a carga é transportada por uma correia em movimento ate o coletor acima. Este a transfere para a superfície de uma grande esfera metálica. Cutnell & Johnson Physics (3 rd edition. Wiley 1995)

Gerador de Van de Graaff A fonte de elétrons retira elétrons da parte inferior da correia, de modo que a correia fique positiva. Na parte superior, a correia retira elétrons da superfície interna da casca esférica, fazendo-a adquirir uma carga positiva. Young & Freedman, Sears & Zemansky Física III (Pearson, 2009)

A menina está parada em cima de uma plataforma que a isola elétricamente do solo e, assim ela acumula carga devido ao contato com a cúpula de um gerador de Van de Graaff. Seu cabelo levanta porque as cargas nos fios de cabelo têm o mesmo sinal e cargas iguais se repelem mutuamente. Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

A carga é conservada Trilhas de pequenas bolhas deixadas por um eletron (e ) e sua antipartícula, o pósitron (e ), numa câmara de bolhas. O par de partículas foi produzido por um raio que entrou na câmara (parte inferior da fotografia). Como o raio é eletricamente neutro, não produz trilha. O raio gama se transformou em um elétron e um pósitron ao interagir com uma partícula na câmara. As trilhas são curvas porque existe um campo magnético no interior da câmara. Halliday, Resnick & Walker Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Aplicação Filtro de ar eletrostático Uma filtragem prévia retém as partículas maiores da sujeira no ar. As menores passam por uma grade eletrificada adquirindo uma carga positiva (+). As partículas são repelidas para um segundo precipitador, fixando-se na sua malha. Cutnell & Johnson Physics (3 rd edition. Wiley 1995)

Filtro eletrostático Os gases passam entre duas eletrodos verticais carregados. As partículas se carregam com os elétrons do eletrodo negativo e são atraídas ao eletrodo positivo. As partículas se acumulam e fluem para o fundo do coletor. Esta técnica remove aerosols (partículas menores que 10 -3 mm) e partículas maiores C. H. Snyder, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things (Wiley 1995)

Precipitador eletrostático (ESP, Electrostatic Precipitator) Os gases de exaustão proveniente do processo de queima entram no ESP pela esquerda. As partículas que passam próximas aos fios adquirem carga negativa. Elas são, então, atraídas para as placas e se grudam nelas. O material acumulado é recolhido. Bauer, Westfall. Dias, Física para universitários: Eletricidade e Magnetismo (AMGH, 2012)

Pára-raios Ele está aterrado de forma que possa conduzir elétrons do solo para as nuvens carregadas positivamente, neutralizando-as. Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

Lei de Coulomb A força que uma carga exerce sobre outra Cutnell & Johnson, Physics (3 rd edition. Wiley 1995) S. Parker, Eletricidade, Coleção Aventura na Ciência (Editora Globo, 1994)

Sears & Zemansky, Física H. D. Young, R. A. Freedman (10ª ed, Pearson 2004) Gotículas de tinta com carga negativa são borrificadas. O metal a ser pintado é aterrado. Quando as gotículas se aproximam aparecem cargas induzidas de sinal oposto na superfície do objeto a ser pintado, e atraim as gotículas a superfície. Este processo minimiza as perdas e a dispersão das gotículas de tinta.

Tomada de parede Os conetores arredondados estão conectados a um bastão metálico que está enterrado no solo. Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

Aplicação Uma técnica para revelar impressões digitais foi desenvolvida no Laboratório Nacional Los Alamos (EUA). Ela usa o fato que cargas opostas se atraem. Partículas de ouro carregadas negativamente adherem as proteinas carregadas positivamente que ficam sempre que os dedos tocam numa superfície E. Hecht, Physics (Brooks & Cole, 1994)

Aplicação: cathodic protection Imagens: Wikipedia Cathodic Protection Quando o Fe está exposto a água, ocorre um processo de oxidação Fe(s) → Fe 2+ + 2 e. Os íons Fe 2+ reagem com os íons hidroxila, Fe 2+ + 2(OH) → Fe(OH)2 o qual oxida facilmente por O 2, dando Fe(OH)3. A desidratação deste leva a formação de ferrugem 2 Fe(OH)3 → Fe 2 O 3 + 3 H 2 O Uma forma de prevenir a corrosão é usar uma proteção catódica, colocando o Fe em contato com um metal que oxide mais facilmente (como o Zn) Brady + Holum, Chemistry (Wiley 1993, Ebbing, General Chemistry (1993))

O uso das cargas: xerografia do Grego: xeros e graphos, que significa “escrita em seco” Coleção Aventura na Ciência Eletricidade (Editora Globo, 1994)

Máquina fotocopiadora O cilindro de alumínio possui uma camada de selênio, metal fotocondutor (fica condutor quando exposto a luz). 1 - o eletrodo carrega a superfície de Se 2 - As lentes enfocam a imagem no tambor. As áreas iluminadas reproduzem a figura 3 - O toner (de carga -) espalhado no tambor adere a região da imagem (carga +) 4 - Transferência do toner para o papel 5 - A imagem é fixada por aquecimento. Cutnell & Johnson Physics

Impressora laser Seu funcionamento é semelhante ao de uma máquina fotocopiadora. Os dados transferidos do computador são copiados no cilindro de alumínio por um laser. Este varre a superfície do cilindro gravando a imagem de carga positiva. A operação é governada por um modulador, que deixa ou não passar a luz que incide no cilindro. Cutnell & Johnson, Physics (3 rd edition. Wiley 1995)

Funcionamento da impressora a laser Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)

Impressora Jato de tinta Cutnell & Johnson Physics (3 rd ed. ) Wiley 1995 Cerca de 150 mil gotinhas de 0. 1 mm de diámetro deixam a fonte a cada segundo, A uma velocidade de 18 m/s (65 km/h). As gotinhas passam por duas componentes elétricas, o charging eletrode usado para carregar-las e as deflection plates, que as direciona ao papel formando as letras.

Coleção Aventura na Ciência Eletricidade (Editora Globo, 1994)

Charles Coulomb (1736 – 1806) Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

Força elétrica no átomo de hidrogênio O eletron está separado do próton por uma distância r = 53 pm. Calcule a força eletrostática de atração Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

(a) Dois bastões carregados com cargas do mesmo sinal se repelem (b) Dois bastões carregados com cargas de sinais opostos se atraem Os sinais + e - indicam um excesso de cargas positivas ou negativas, respectivamente Halliday, Resnick & Walker Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Uma barra de cobre isolada da Terra. Qualquer das extremidades da barra é atraída por um bastão de plástico eletricamente carregado. A carga + da barra é atraída pela carga – do bastão, e faz girar a barra de cobre Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)

Carregando uma esfera metálica por indução Sears & Zemansky, Física. H. D. Young, R. A. Freedman (10ª ed, Pearson 2004)

Experiência do balde de gelo de Faraday (a) bola condutora suspendida por um fio isolante sobre um recipiente condutor. (b) a bola carregada induz cargas no interior e no exterior do recipiente (c) Quando a bola toca o recipiente, ela passa a fazer parte da superfície interna: toda a sua carga é transferida para o recipiente Young & Freedman, Sears & Zemansky Física III (Pearson, 2009)

Cobre: material condutor Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009) © 2008 by W. H. Freeman and Company

Referências bibliográficas Tipler & Mosca. Física para cientistas e engenheiros. Volume 2 (Editora LTC) 4 a edição (2000), 5 a edição (2006) ou 6 a edição (2009) Halliday, Resnick & Walker. Fundamentos da Física (LTC, 8 a ed. 2009, 9 a ed. 2012) Halliday, Resnick & Krane. Física 3 (LTC, 5 a ed. 2004)) Young & Freedman, Sears Zemansky Física III (Pearson, 10 a ed 2003, 12 a ed 2008) Serway e Jewett. Princípios de Física, vol. 3: Eletromagnetismo (Cengage, 2004) Bauer, Westfall. Dias, Física para universitários: Eletricidade e Magnetismo (AMGH, 2012)