quarta-feira, 28 de julho de 2021

Aula 03 - Fundamentos de Eletrostática

Vários experimentos de eletrização por atrito foram realizados por Tales, Fracastoro, Gilbert, , Nollet, Dufay e Desaguliers. O primeiro deste fenômenos de eletrostática foi descoberto com o âmbar (resina fossilizada chamada de “elektron"), mais ou menos há 25 séculos, pelo filósofo grego Tales, da cidade de Mileto (640 – 540 a.C.). Ele observou que o âmbar, depois de atritado, adquire a propriedade de atrair corpos leves. O âmbar atritado (friccionado na pele de gato) atraía vários tipos de objetos pequenos, tais como: fio de cabelo, folha seca, e felpas de tecidos.

Eletrostática por Tales de Mileto

Na primeira experiência cortamos vários pedacinhos de papel e os deixamos sobre a mesa. Pegamos também um pente plástico ou então uma régua plástica. Também pode ser utilizado o corpo rígido de uma caneta, desde que feito de um único material para evitar a ocorrência de efeitos mais complicados (isto é, a caneta não deve ter partes metálicas, etc). Então aproximamos o pente de plástico dos papeizinhos, sem tocar neles. Nada acontece nos papeizinhos ao aproximar o pente dos papeizinhos.
Agora atritamos o pente no casaco de lã ou em uma folha de papel (como o papel toalha, papel higiênico ou guardanapo de mesa), esfregando-o rapidamente para frente e para trás.
Em seguida aproximamos o canudo atritado dos papeizinhos, novamente sem tocá-los, apenas chegando bem perto. Observa-se que a partir de uma certa distância eles pulam para o pente atritado e alguns papeizinhos ficam grudados nele. Podemos afastar o canudo da mesa que eles continuam grudados nele, veja figura.
Na figura temos um pente atritado longe de papeizinhos e o pente atritado atrai os papeizinhos ao se aproximar deles.
Definições: Em geral se diz que o corpo de plástico que não foi atritado e que não atrai os pedacinhos de papel está eletricamente neutro ou, simplesmente, neutro. Também se diz que o corpo de plástico, ao ser atritado, adquiriu uma carga elétrica ou que ficou eletrizado, eletrificado, carregado eletricamente ou, simplesmente, carregado. O processo é chamado de carga por atrito, eletrização por atrito ou de eletrificação por atrito. A atração entre estes corpos é chamada algumas vezes de atração elétrica ou de atração eletrostática.
Eletrostática com o Perpendículo de Fracastoro
O instrumento elétrico mais antigo inventado pelo homem foi criado por Girolamo Fracastoro (1478-1553), ele foi um poeta, médico e filósofo de Verona. Fracastoro é mais conhecido por seus trabalhos de medicina, especialmente epidemiologia, sendo dele a denominação de sífilis para uma conhecida doença venérea.
Fracastoro apresentou este instrumento em um livro que publicou em 1546. Ele o utilizou para mostrar que o âmbar atritado atrai não apenas palha e gravetos, mas também um outro pedaço de âmbar e até mesmo um metal como a prata. Foi ele também quem descobriu que o diamante tem a capacidade de atrair corpos leves ao ser atritado, assim como o faz o âmbar atritado.
Pela descrição anterior vem que Fracastoro deveria prender na parte inferior de seu perpendículo um pequeno pedaço de âmbar ou de prata. Ao aproximar um âmbar atritado do perpendículo, teria observado que este pedaço de âmbar ou de prata se afastava da vertical, aproximando-se do âmbar atritado. A vantagem do perpendículo é que atração do fio contrabalança o peso do corpo. Isto é, a atração gravitacional da Terra é equilibrada pela tração do fio. Isto facilita a observação do movimento horizontal do pequeno corpo que está suspenso na parte inferior do fio. Suponha que, em vez disto, o pedacinho de âmbar estivesse solto sobre uma mesa. Neste caso seria difícil, devido ao peso e à densidade destes corpos, observar este pedacinho de âmbar ou de prata sendo suspenso no ar e sendo atraído por um âmbar atritado que se aproximasse por cima dele.
Eletrostática com o Versório de Gilbert
Um dos cientistas que deu início às pesquisas modernas sobre o magnetismo e sobre a eletricidade foi William Gilbert (1544-1603), um médico inglês. Em 1600 ele publicou um livro muito importante na história da ciência, "Sobre os Imãs e Corpos Magnéticos e sobre o Grande Imã, a Terra". Nesta obra relata muitas descobertas relevantes sobre magnetismo.
Na sua época a orientação da bússola era explicada por um alinhamento dos polos magnéticos da bússola com os polos da esfera celeste. Gilbert propôs pela primeira vez a ideia de que a Terra é um grande ímã, fornecendo assim um modelo para a orientação da bússola explicada por sua interação magnética com a Terra. No segundo capítulo de seu livro ele descreve diversas experiências de eletrostática com o intuito de distinguir os fenômenos associados ao ímã dos fenômenos associados ao âmbar. Para istro construiu o versório de Gilbert.
Versório é um instrumento que normalmente consiste de duas partes: um membro vertical, que age como um suporte fixo em relação à Terra, e um membro horizontal capaz de girar livremente sobre o eixo vertical definido pelo suporte. Ele é similar a uma bússola magnética em sua construção, exceto pelo fato do membro horizontal não ser magnetizado como ocorre na bússola. Conceitualmente, a habilidade do membro
horizontal poder girar livremente significa que este instrumento é muito sensível a torques externos muito pequenos. Portanto, pode ser usado para detectar estes torques da mesma forma como uma bússola detecta o torque magnético exercido pela Terra.
Quando em repouso, o versório vai apontar para uma direção horizontal arbitrária (ele pode apontar ao longo da direção Leste-Oeste, por exemplo, ou pode apontar para uma árvore específica).
Aproxima-se um plástico (canudo, régua, ...) neutro de um versório metálico, sem tocá-lo. Observa-se que nada acontece. Atrita-se o plástico e repete-se a experiência com o plástico atritado. Neste caso observa-se que os versórios feitos de todos os metais são orientados pelo plástico atritado, tendendo a ficar apontando para o plástico. O mesmo ocorre se o versório for feito de papelão ou de madeira. Esta experiência mostra que o plástico atritado influencia corpos próximos.
Cargas negativas e positivas de Dufay
Charles François Cisternay Dufay (1698-1739), com suas experiências utilizando uma folha de ouro, eletrificado com haste de vidro atritada, a folha foi repelido pela haste, mas foi atraído por outro haste de resina atritada e este foi o ponto de partida para uma descoberta de grande importância na história da eletricidade: "Há dois diferentes tipos de eletricidade, muito diferentes uma das outra: um chamado eletricidade vítreo e outros resinoso. O primeiro é o de vidro, quartzo, pedras preciosas, pêlos e muitas outras substâncias, o segundo é o âmbar, goma-laca, seda, linha, papel e outros organismos ".
Ao realizar experiências com vários corpos electrificados, descobriram que podem ser separados em dois grupos: um primeiro grupo que consiste em organismos cujo desempenho é igual à de uma barra de vidro é friccionado com seda. Neste caso, podemos ver que tudo desse conjunto corpos eletrizados se repelem é, dito hoje, que esses corpos são eletrificados positivamente , ou que, quando friccionado, adiquiriu uma carga elétrica positiva.
O segundo grupo é constituído pelos corpos que se comportam como uma barra de borracha dura (resina) esfregado com um pedaço de pele de gato. Pode-se também observar que todos os corpos deste grupo repelem, mas atrair os corpos do grupo anterior.
Desses corpos é dito hoje em dia que são eletrificadas negativamente , ou que adquiriram carga negativa Dufay e chegou à seguinte conclusão: Existem dois tipos de eletricidade, chamou de eletricidade positiva ou vítreo e outras resinosas ou negativo. As cargas  elétricas do mesmo tipo repelem e de tipo diferente atraem.
Os eletroscópios de Jean-Antoine Nollet inventou um eletroscópio com lâminas de ouro em 1750. Eletroscópio são instrumentos destinados a verificar a existência de carga elétrica em um determinado corpo. O eletroscópio do tipo folhas é o mais conhecido.
Esse tipo de eletroscópio é formado por duas finas lâminas de ouro presas numa das extremidades de uma haste metálica, sendo que na outra extremidade dessa mesma haste é presa uma esfera de material condutor. Tal sistema é acondicionado dentro de uma ampola de vidro, suspenso e totalmente isolado. Quando se aproxima um corpo eletrizado da esfera condutora, as lâminas de ouro do eletroscópio se abrem, pois o corpo eletrizado induz na esfera condutora, cargas de sinal contrário às dele, produzindo assim a repulsão entre as folhas. Quando está neutro, as lâminas permanecem fechadas. Se você afastar o corpo eletrizado as lâminas retornam à situação inicial, mas se você encostá-lo na esfera haverá eletrização por contato e as lâminas se abrirão. Os eletroscópios detetam apenas se um corpo está ou não eletrizado, não detetando o tipo de sinal de sua carga.
Atração de líquidos de Desaguliers
Na experiência trabalhamos com substâncias sólidas. Agora vamos ver o efeito do âmbar ou do plástico atritado sobre líquidos. Novamente o ideal é aproximar um canudo (estando ou não atritado) do líquido, mas sem que exista o toque entre ambos.
Abre-se uma torneira e deixa-se escorrer de forma contínua um fino filete de água. Aproxima-se um canudo de plástico neutro do filete e nada acontece.
Agora atrita-se o canudo e repete-se a experiência. Neste caso observa-se que o filete de água curva-se visivelmente no sentido do canudo! Isto é mais facilmente observado quando aproximamos o canudo atritado da parte superior do filete, onde a água tem uma velocidade menor. Às vezes a atração é tão grande que o filete de água encosta no canudo.
Uma experiência análoga a estas parece ter sido realizada pela primeira vez por Jean Théophile Desaguliers (1683-1744) em 1741.

Este arquivo pode ser baixado em: Aula 03 - Fundamentos de Eletrostática.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017



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