Compreender os processos de eletrização – por atrito, contato e indução – não só amplia nosso conhecimento sobre a transferência de cargas elétricas, mas também nos capacita a resolver problemas práticos, um diferencial para quem estuda Física.
Este guia detalhado produzido pelo Estratégia Militares oferece uma exploração profunda dos tipos de eletrização, fornecendo exemplos práticos e exercícios que consolidam o aprendizado. Conheça tudo a seguir!
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O que é eletrização?
Eletrização é o fenômeno pelo qual um corpo inicialmente neutro adquire carga elétrica, tornando-se eletricamente carregado. Corpos neutros possuem igual quantidade de prótons, que são partículas subatômicas com carga positiva, e elétrons, que têm carga negativa. O processo de eletrização envolve a transferência de elétrons de um corpo para outro.
Para compreender melhor, é essencial distinguir que os prótons estão presos no núcleo atômico e, portanto, não participam do processo de eletrização. Ao acrescentar elétrons a um corpo, este se torna negativamente carregado; ao remover elétrons, torna-se positivamente carregado.
Tipos de eletrização
Existem três formas distintas de eletrização: por atrito, por contato e por indução. Cada uma delas envolve mecanismos específicos de transferência de elétrons e apresenta características únicas.
Eletrização por atrito
O processo de eletrização por atrito ocorre quando dois corpos isolantes são esfregados um contra o outro. Esse atrito fornece energia suficiente para que os elétrons, que estão fortemente atraídos pelos núcleos de seus próprios átomos, possam se mover de um corpo para o outro. Em consequência:
- Um dos corpos perde elétrons e se torna positivamente carregado.
- O outro corpo ganha elétrons e se torna negativamente carregado.
Ao final, ambos os corpos terão cargas de módulos iguais, porém de sinais opostos.
Um exemplo clássico ocorre ao esfregar um balão contra o cabelo. O balão fica negativamente carregado enquanto o cabelo fica positivamente carregado. Esse fenômeno é explicado pela série triboelétrica, uma tabela que categoriza materiais pela sua tendência em perder ou ganhar elétrons.
Eletrização por contato
A eletrização por contato envolve dois corpos condutores que se tocam, onde pelo menos um deles já está previamente carregado. Nesse tipo de eletrização, os elétrons movem-se livremente devido à alta mobilidade típica dos materiais condutores, equilibrando as cargas entre os corpos.
Se dois condutores idênticos se tocam, a carga final em cada corpo é a média aritmética das cargas originais. No caso de contato simultâneo entre múltiplos corpos, a quantidade deles deve ser considerada na média.
Quando os corpos têm tamanhos diferentes, as cargas se ajustam até que o potencial elétrico seja igual para ambos. Isso é calculado considerando os raios dos corpos e suas cargas iniciais.
Eletrização por indução
Neste processo, um corpo carregado (indutor) é aproximado de um corpo neutro (induzido), causando a polarização das cargas internas do corpo neutro, ou seja, separação de suas cargas positivas e negativas. Para que o corpo induzido fique carregado:
- Aproxima-se o indutor do induzido.
- O induzido é aterramento, permitindo a movimentação dos elétrons entre ele e a terra.
- Após a retirada do aterramento e do indutor, o corpo induzido permanece eletrizado.
Esse método é frequentemente utilizado em para-raios, onde uma nuvem carregada positivamente induz uma carga negativa no para-raios, promovendo o fluxo de elétrons do solo para a nuvem, neutralizando a carga.
Exercícios práticos
Para fixar o conteúdo, é fundamental resolver exercícios sobre eletrização, focando em aplicar as definições e processos descritos. Questões que abordam situações práticas e variações dos processos de eletrização ajudam a consolidar o entendimento.
Entender os conceitos de eletrização por atrito, contato e indução é essencial para responder adequadamente às questões sobre eletrostática encontradas em provas de concursos, onde tais fenômenos aparecem com frequência.
Eletrização por atrito
Eletrização por atrito é um processo fundamental no estudo da eletrostática que envolve a transferência de elétrons entre dois materiais isolantes que são esfregados um contra o outro, resultando na aquisição de cargas elétricas opostas. Este fenômeno ocorre devido à diferença na afinidade elétrica entre os materiais, definida pela série triboelétrica.
Como ocorre a eletrização por atrito?
Quando dois corpos isolantes são esfregados, a energia do atrito permite que elétrons sejam removidos de um material e transferidos para o outro. Os elétrons encontram-se geralmente mais fixos nos núcleos dos átomos dos isolantes, necessitando portanto de energia adicional para serem libertos. O resultado é que um dos corpos fica carregado negativamente (ganha elétrons) e o outro positivamente (perde elétrons).
Série triboelétrica
A série triboelétrica organiza diversos materiais conforme sua tendência de ganhar ou perder elétrons. Materiais no topo da tabela têm maior tendência a adquirir carga positiva após atrito, enquanto os do final tendem a adquirir carga negativa.
Exemplo de série triboelétrica:
| Material | Tendência de Carga |
|---|---|
| Pele de mão humana (seca) | Positiva (Perde elétrons) |
| Vidro | Positiva |
| Cabelo humano | Positiva |
| Acrílico | Positiva |
| Lã | Neutra |
| Papel (sulfite, guardanapos) | Neutra |
| Borracha de balões inflados | Negativa (Ganha elétrons) |
| Plástico PVC | Negativa |
| Teflon | Negativa |
Aplicações e exemplos práticos
Um exemplo clássico do processo de eletrização por atrito é esfregar um balão inflado contra o cabelo. O balão, tipicamente feito de borracha, ganha elétrons do cabelo, ficando negativamente carregado. Essa carga negativa permite que o balão atraia pequenos pedaços de papel, que são eletricamente neutros na ausência de outras influências.
Outro exemplo é a eletrização de uma régua de plástico esfregada contra um tecido de lã. A régua adquire carga negativa e pode, por exemplo, atrair pequenos pedaços de papel, demonstrando visualmente o efeito da eletrização por atrito.
Fatores que influenciam a eletrização por atrito
- Natureza dos materiais: A composição química e a afinidade eletrônica dos materiais determinam se eles ganharão ou perderão elétrons.
- Superfície de contato: Quanto maior a área de contato, mais intensa será a transferência de elétrons.
- Condição dos materiais: Materiais secos e limpos tendem a eletrizar-se mais facilmente do que materiais molhados ou sujos.
Exercícios e exemplos
Para fixar o conhecimento sobre eletrização por atrito, é recomendável resolver exercícios como este:
Exemplo de exercício
- Questão: Considere os materiais vidro e seda na série triboelétrica. Como ficarão carregados ao serem atritados?
- Resolução: O vidro, que aparece acima da seda na série triboelétrica, tende a perder elétrons. Portanto, após o atrito, o vidro ficará carregado positivamente e a seda negativamente.
Eletrização por contato
A eletrização por contato é um dos três principais métodos de eletrização. Esse processo ocorre quando dois corpos condutores entram em contato, desde que pelo menos um deles esteja carregado eletricamente. A partir dessa interação, os elétrons se movem de um corpo para o outro até que ambos possuam a mesma carga elétrica.
Princípio da eletrização por contato
O princípio fundamental dessa eletrização é que, ao entrar em contato, os elétrons dos corpos condutores se redistribuem de maneira a equilibrar as cargas entre eles. Essa redistribuição de cargas elétricas acontece porque os elétrons, que são carregados negativamente e livres para se moverem em materiais condutores, buscam minimizar a diferença de potencial elétrico entre os corpos.
Condições e tipos de corpos
- Corpos condutores idênticos: Quando dois corpos condutores idênticos se tocam, os elétrons se distribuem igualmente entre eles. Se um corpo está inicialmente carregado e o outro não, basta dividir a carga total por dois para saber a carga final em cada corpo após o contato. Por exemplo, se uma esfera A com carga de -20,0 μC toca uma esfera B neutra, cada uma terá -10,0 μC após a interação.
- Corpos condutores diferentes: Caso os corpos tenham tamanhos ou formas diferentes, a redistribuição dependerá dos potenciais elétricos dos corpos, e os elétrons continuarão se movendo até que os potenciais sejam iguais. Nesse caso, a quantidade de carga em cada corpo após o contato pode ser calculada levando em consideração o raio dos corpos e suas capacidades.
Exemplo prático
Imagine duas esferas condutoras de raios diferentes, A e B, com cargas iniciais QA e QB, respectivamente. Ao se tocarem, os elétrons se movem de um corpo para outro até que os potenciais elétricos se tornem iguais. A equação que relaciona essas variáveis é determinada pela igualdade dos potenciais elétricos após o contato, resultando em:
[ QA/RA = QB/RB ]onde QA e QB são as cargas finais e RA e RB são os raios das esferas. Isso permite que, mesmo com tamanhos diferentes, o potencial elétrico das esferas iguale-se após o contato.
Fórmula da carga elétrica final
No caso de corpos condutores e idênticos, a fórmula simples de média aritmética pode ser aplicada:
[ Qf = \frac{QA + QB}{2} ]Para casos envolvendo mais de dois corpos ou com corpos de diferentes tamanhos, a abordagem requer uma análise das capacidades específicas e potenciais elétricos.
Aplicação em exercícios
Para visualizar melhor a aplicação desse conceito, considere a questão a seguir:
Questão (Mackenzie)
Uma esfera metálica eletrizada, com carga elétrica igual a -20,0 μC, é colocada em contato com outra esfera idêntica eletricamente neutra. Em seguida, encosta-se a esfera em outra também idêntica eletrizada com carga elétrica igual a 50,0 μC. Após esse procedimento, as esferas são separadas. A carga elétrica armazenada na esfera, no final desse processo, é igual a:
a) 20,0 μC
b) 30,0 μC
c) 40,0 μC
d) 50,0 μC
e) 60,0 μC
Resolução: Primeiramente, calculamos a carga após o primeiro contato entre a esfera neutra e a de -20,0 μC:
$$ Qf1 = \frac{0 μC + (-20,0μC)}{2} = -10,0 μC $$
Em seguida, consideramos a esfera com -10,0 μC e a que possui 50,0 μC:
$$ Qf2 = \frac{-10,0 μC + 50,0 μC}{2} = 20,0 μC $$
Portanto, a resposta correta é a letra a) 20,0 μC.
Eletrização por indução
Eletrização por indução é um processo em que a carga elétrica de um corpo altera a distribuição de cargas em outro corpo próximo, sem necessidade de contato direto. Este método é essencial para entender uma série de fenômenos eletrostáticos.
Como ocorre a eletrização por indução?
A eletrização por indução se dá quando um corpo carregado, chamado de indutor, é aproximado de um corpo condutor eletricamente neutro, conhecido como induzido. A presença do indutor provoca uma separação das cargas no corpo induzido, fazendo com que elétrons se movam em seu interior, resultando na polarização das cargas.
Etapas da eletrização por indução:
- Aproximação do indutor: Inicialmente, o indutor é aproximado do induzido, sem tocá-lo. Caso o indutor esteja positivamente carregado, ele atrai os elétrons do induzido para a região mais próxima a ele e repele as cargas positivas para a região mais distante. O inverso acontece se o indutor estiver negativamente carregado.
- Polarização das cargas: A polarização é a separação das cargas positivas e negativas no corpo induzido. O corpo não perde seu estado neutro; ele apenas tem suas cargas organizadas de forma que regiões opostas se tornam de sinais diferentes.
- Aterramento do induzido: A próxima etapa envolve conectar o corpo induzido à terra, usando um fio condutor. Isso proporciona um caminho para que os elétrons possam fluir do induzido para a terra ou da terra para o induzido, dependendo do tipo de carga no indutor.
- Retirada do indutor: Após a separação das cargas, remove-se o fio de aterramento. Nesse momento, o corpo induzido estará carregado com uma carga oposta à do indutor.
- Afastamento do indutor: Finalmente, ao afastar o indutor, a distribuição de cargas no induzido se estabiliza, tornando-o eletricamente carregado de forma permanente.
Exemplos práticos de eletrização por indução
Os para-raios são uma aplicação prática de eletrização por indução. Eles protegem edifícios ao ionizar o ar ao seu redor, criando um caminho privilegiado para as descargas atmosféricas (raios), que por sua vez fluem pelo para-raios e são conduzidas com segurança até o solo, neutralizando o risco de danos.
| Etapa | Descrição |
|---|---|
| 1 | Aproximação do indutor |
| 2 | Polarização das cargas |
| 3 | Aterramento do induzido |
| 4 | Retirada do indutor |
| 5 | Afastamento do indutor |
Ilustrações e exemplos em provas
É comum encontrar questões em provas de física, que exigem a compreensão da eletrização por indução. Essas questões podem envolver a análise de gráficos de distribuição de cargas, diagramas que exemplificam o processo e problemas que requerem a determinação do tipo de carga resultante após a indução.
Considerações importantes
- Conservação de carga: Durante o processo de indução, a quantidade total de carga do sistema indutor-induzido permanece constante; o que muda é a distribuição das cargas.
- Material condutor: Este processo ocorre mais eficientemente em materiais condutores, pois seus elétrons são livres para se moverem em resposta ao campo elétrico do indutor.
- Utilização do aterramento: O aterramento é crucial para permitir a movimentação significativa de elétrons, modificando a carga do induzido.
Exercícios sobre os processos de eletrização
A seguir, apresentamos exercícios para praticar os conceitos e fixar o conhecimento.
Questão 1: Série triboelétrica
(Instituto Federal de São Paulo)
A tabela a seguir mostra a série triboelétrica:
| Material | |
|---|---|
| Pele de coelho | |
| Vidro | |
| Cabelo humano | |
| Mica | |
| Lã | |
| Pele de gato | |
| Seda | |
| Algodão | |
| Âmbar | |
| Ebonite | |
| Poliéster | |
| Isopor | |
| Plástico |
Com base nessa série, determine a carga elétrica que cada material adquire ao ser atritado com outro. O isopor, ao ser atritado com a lã, fica carregado negativamente. Portanto, o vidro, ao ser atritado com a seda, ficará carregado:
a) positivamente, pois ganhou prótons.
b) positivamente, pois perdeu elétrons.
c) negativamente, pois ganhou elétrons.
d) negativamente, pois perdeu prótons.
e) com carga elétrica nula, pois é impossível o vidro ser eletrizado.
Gabarito: Letra b
Explicação: Vidro tende a perder elétrons ao ser atritado com a seda, adquirindo carga positiva.
Questão 2: Descargas elétricas e para-raios
(Instituto Federal de São Paulo)
Durante uma tempestade, uma nuvem carregada positivamente aproxima-se de um edifício com um para-raios. Ao estabelecer-se uma descarga elétrica, podemos afirmar que:
a) prótons passam da nuvem para o para-raios.
b) prótons passam do para-raios para a nuvem.
c) elétrons passam da nuvem para o para-raios.
d) elétrons passam do para-raios para a nuvem.
e) elétrons e prótons transferem-se de um corpo a outro.
Gabarito: Letra d
Explicação: Elétrons viajam do para-raios para a nuvem devido à diferença de potencial elétrico.
Questão 3: Esferas metálicas eletrizadas
(Faculdade Mackenzie)
Uma esfera metálica com carga de -20,0 μC é colocada em contato com outra esfera idêntica e eletricamente neutra. Depois, essa esfera é posta em contato com outra esfera idêntica com carga de 50,0 μC. Ao final, determine a carga na esfera:
a) 20,0 μC
b) 30,0 μC
c) 40,0 μC
d) 50,0 μC
e) 60,0 μC
Gabarito: Letra a
Explicação: Primeiro evento (contato com esfera neutra): média das cargas inicial e $$final = (-20,0 μC + 0 μC)/2 = -10,0 μC$$.
Segundo evento (contato com esfera de 50,0 μC): média das $$cargas resultantes = (-10,0 μC + 50,0 μC)/2 = 20,0 μC$$.
Questão 4: Eletrização por indução
(Unoeste-SP)
Considere um corpo condutor neutro sendo eletrizado por indução na presença de um corpo carregado positivamente. Se o corpo neutro é aterrado na presença do corpo carregado e, depois, o aterramento e o corpo carregado são removidos, qual será a carga do corpo anteriormente neutro?
a) Positiva.
b) Negativa.
c) Neutra.
d) Depende da carga inicial do corpo carregado.
e) Positiva ou negativa, dependendo do tipo de material.
Gabarito: Letra b
Explicação: Quando o corpo neutro é aterrizado na presença do corpo carregado positivamente, os elétrons fluem da terra para neutralizar a diferença de potencial, deixando o corpo neutro com carga negativa após a retirada do aterramento.
Questão 5: Transferência de elétrons
(Unesp-SP)
Dois corpos A e B estão em contato. O corpo A possui uma carga de 4 × 10^-6 C, enquanto o corpo B possui uma carga de 12 × 10^-6 C. Após entrarem em contato e serem separados, qual a carga final de cada corpo?
a) 8 × 10^-6 C em A e 4 × 10^-6 C em B
b) 12 × 10^-6 C em A e 4 × 10^-6 C em B
c) 8 × 10^-6 C em A e 8 × 10^-6 C em B
d) 4 × 10^-6 C em A e 12 × 10^-6 C em B
e) 16 × 10^-6 C em A e 0 C em B
Gabarito: Letra c
Explicação: Carga total inicial = 4 × 10^-6 C + 12 × 10^-6 C = 16 × 10^-6 C. Como os corpos são idênticos, a carga é igualmente dividida, resultando em 8 × 10^-6 C para cada corpo.
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