Eletrostática: Condutores, Isolantes e Eletrização


A Eletrostática é o ramo da Física que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso. O termo tem origem grega e une os “elektron” com “statikos” (em repouso ou estacionário). Atribui-se os primeiros estudos sobre a eletricidade estática, ao matemático e filósofo Tales de Mileto, que já no século VI a.C. observou que, se esfregasse um pedaço de âmbar na pele de um animal, esse atrairia corpos leves, como pedaços de capim seco.

Muito tempo depois, já no século XVI da nossa era, o médico inglês William Gilbert concluiu que além do âmbar, outros corpos podem ser eletrizados e que há uma distribuição igual de cargas elétricas, postulando assim o equilíbrio eletrostático. Nesse mesmo período, diversos cientistas se debruçaram sobre a busca do átomo, entre eles Boyle, Rutherford, Bohr e Dalton. No fim do século XIX, Boyle comandou uma série de experimentos com raios catódicos e a consequente descoberta do elétron e definiu as primeiras noções de sua estrutura.

Eletrostática

Num primeiro momento, acreditava-se que os fenômenos elétricos não tinham relação com os fenômenos magnéticos. A eletrostática dava seus primeiros passos avança coma primeira pilha voltaica, criada por Alessandro Volta, em 1800. Finalmente, em 1819, o dinamarquês Oersted descobriu que a corrente elétrica geraria um campo magnético em torno de si. Já em 1911, um experimento de Rutherford apresentou um modelo atômico semelhante ao sistema planetário, com um núcleo densamente positivo rodeado por elétrons de carga negativa. Dois anos depois, em 1913, Bohr aperfeiçoou esse modelo inicial e concluiu que os elétrons estavam presentes nas orbitas fora do núcleo e que elas tinham raio fixo, com níveis energéticos bem definidos. Finalmente, Schrodinger, de Broglie e Heisenberg compilaram os conhecimentos de seus antecessores e desenvolveram a teoria atômica como a conhecemos hoje e que tem, basicamente, as seguintes características:

– elétrons tem carga negativa, massa muito pequena, orbitam ao redor do núcleo e tem fraca ligação com o átomo
– o núcleo é central e constituído de prótons e nêutrons
– prótons tem carga positiva, tem massa 2000 vezes maior à do elétrons
– nêutrons não tem carga e tem massa pouco superior à dos prótons

As cargas do elétron e do próton são opostas e têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes. Esse valor usa o símbolo “e” e, de acordo com o Sistema Internacional de Medidas, usa como unidade o C (Coulomb).

Como os elétrons são presos ao átomo de maneira muito fraca, e por estarem nas camadas externas, são eles que se deslocam. Num átomo neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se um átomo neutro ganhou elétrons ele está eletrizado com carga negativa, ganha o nome de “íon negativo”. Se um átomo neutro perdeu elétrons ele está eletrizado com carga positiva, e é chamado de “íon positivo”.

Eletrostática: Condutores e Isolantes

Os átomos de boa parte dos materiais da natureza, como o solo, o ar úmido, os metais como ferro, ouro, cobre, platina e prata, e até o corpo humano tem os elétrons da ultima camada unidos muito fragilmente, e são facilmente perdidos, os chamamos de “elétrons livres”, e os corpos que possuem muitos elétrons livres recebem o nome de “condutores elétricos”. No caso de condutores líquidos, os íons é que são os portadores de carga, e nos gases, os íons e elétrons são os responsáveis pela condução.

Já os átomos de algumas substâncias como a madeira seca, a mica, o vidro, a cerâmica, o plástico, a borracha e o ar seco não permitem o fluxo de elétrons ou deixam passar somente um pequeno número deles. Seus átomos têm muita dificuldade fazer a troca dos elétrons livres, já que estão fortemente unidos às últimas camadas eletrônicas. Esses materiais são chamados de isolantes, e usados para cobrir os fios, cabos e aparelhos elétricos.

Eletrostática: Processos de Eletrização

Atrito

Uma das maneiras mais antigas e cotidianas de eletrificar um corpo, o atrito consiste em esfregar dois corpos, de materiais diferentes, como, por exemplo, um pano de lã e uma placa de vidro, ambos neutros num primeiro momento. Depois de atritados e separados, a quantidade de elétrons livres trocados entre eles será a mesma, ou seja, o vidro cederá elétrons e adquirirá carga positiva +Q, enquanto a lã receberá elétrons e ficará com carga de mesmo módulo, porém, negativa –Q.

Contato

No caso de dois materiais condutores, a carga elétrica será distribuída na superfície externa dos dois corpos, tornando ambos eletrificados. Quando são colocados em contato, ambos se comportam como se fossem um único corpo e haverá uma distribuição de cargas nas superfícies de A e de B. Quando separados, o objeto A ficará com carga QA’ e B com carga QB’, tal que QA’ + QB’= +Q (princípio da conservação das cargas elétricas). Além disso, podem ser feitas entre um condutor e um isolante, mas, nesse caso, o isolante acumulará a carga elétrica apenas no ponto de contato.