F3_Aula 01 – Fundamentos
Física
A palavra Física vem do grego physiké e significa Natureza. Portanto, Física é a ciência que estuda a natureza e seus fenômenos através de conceitos lógicos e formulação matemática.
Com a evolução do conhecimento, começaram a serem desenvolvidas outras ciências que também estudam a natureza, como, por exemplo, a geologia e a biologia.
Classicamente a Física se divide em Mecânica, Ondulatória, Óptica, Termologia, Eletricidade e Magnetismo. Com o aprofundamento dos estudos, verificou-se que as duas últimas divisões estavam interligadas dando origem ao Eletromagnetismo.
Eletromagnetismo: é uma das mais importantes interações que acontece na natureza. A maior parte das forças que atuam em escala macroscópica é de origem eletromagnética. Por motivos pedagógicos, para facilitar o entendimento dos fenômenos estudados, o eletromagnetismo é dividido em Eletricidade e Magnetismo.
Eletricidade: é a parte da Física que estuda os fenômenos causados por interações de cargas elétricas. Quando estudamos cargas elétricas em repouso, denominamos de Eletrostática e quando em movimento de Eletrodinâmica.
Magnetismo: é a parte da Física que estuda os Campos Magnéticos, sejam eles gerados por ímãs permanentes, pela Terra ou por correntes elétricas.
Eletrostática
Vamos começar nossos estudos pela Eletrostática, que como vimos anteriormente, estuda os fenômenos causados por interações de cargas elétricas em repouso.
Átomo
No Ensino Médio, tanto em Química quanto em Física, estudamos o Átomo. Aprendemos que o átomo, que vem do grego e significa “não divisível” (a = não e tomo = divisão), representa a menor parte que ainda caracteriza um determinado elemento químico.
Vamos exemplificar utilizando um giz:
Ao quebrarmos um giz em dois pedaços e novamente quebrar cada pedaço em outros menores, cada um desses continuará sendo “um giz”. Se continuarmos quebrando em pedaços cada vez menores, pela lógica, chegará um instante em que teremos a “menor parte possível de um giz” e essa é a ideia de um átomo:
“A menor parte da matéria que ainda caracteriza um determinado elemento químico.”
Nota: o átomo ainda é subdividido em partículas mais elementares, denominadas: próton, neutro e elétron, que também são subdivididos em outras subpartículas mais elementares ainda … (mas que no momento não vem ao caso).
Carga Elementar (e)
É a menor porção de Carga Elétrica que se pode obter. Experimentos mostraram que a carga elétrica de um elétron é numericamente igual a do próton que é a própria carga elementar.
Nota: Historicamente foi convencionado que o elétron tem carga negativa e o próton carga positiva, enquanto que, como o próprio nome diz, o nêutron não tem carga elétrica.
Experimentalmente, o valor absoluto da carga elementar aceito até o momento é:
*Charles Augustin de Coulomb, 1736 – 1806.
Quantidade de Carga Elétrica (Q)
Observa-se na natureza que a carga elétrica é uma grandeza física quantizada, ou seja, o valor da quantidade de carga de um corpo é sempre um múltiplo da carga elementar. Portanto não existe na natureza, por exemplo, a carga de “meio elétron”.
Desta forma, podemos representar a Quantidade de Carga Elétrica (Q) pela expressão:
Onde representa um número inteiro positivo.
O sinal de Q depende se em determinado corpo tem mais elétrons do que prótons, ou seja, está “sobrando elétrons” (Q < 0) ou tem menos elétrons do que prótons, ou seja, está “faltando elétrons” (Q > 0).
Obs.: quando dizemos que um corpo é neutro, não significa dizer que o mesmo não tem carga elétrica e sim que a somatória de suas cargas negativas e positivas dá zero.
Conservação da Carga Elétrica
Por definição, num sistema isolado, quando dois corpos se interagem, a quantidade de carga elétrica perdida por um dos corpos tem que ser igual à quantidade de carga recebida pelo outro corpo. Baseado na definição acima, podemos enunciar o Princípio da Conservação das Cargas Elétricas:
“Num sistema isolado, a soma algébrica das cargas elétricas, sejam elas positivas ou negativas, é uma constante, ou seja, a carga total do sistema é conservada.”
É importante deixar bem claro que é a quantidade de prótons caracteriza um determinado elemento químico. Assim sendo, se um corpo ganhar ou perder prótons, ele perderá sua característica inicial, ou seja, alterará o tipo de elemento químico de que é composto.
Baseados nessa informação, podemos concluir que quando há trocas de cargas elétricas, em via de regra, há uma troca de elétrons e não de prótons entre os corpos que estão interagindo.
Condutores e Isolantes Elétricos (Dielétricos)
Na natureza, sob determinadas condições, existem materiais que resistem mais ou menos ao movimento de cargas elétricas. Aos que resistem mais denominamos de Isolantes Elétricos (dielétricos) e aos que resistem menos de Condutores Elétricos.
Para exemplificar, sabemos que a borracha é um bom isolante e que os metais em geral (ferro, cobre, alumínio, etc.), são bons condutores de eletricidade.
Nota: tanto o Corpo Humano quanto a Terra são condutores elétricos.
Como a Terra é muito maior comparado com os corpos utilizados em nossas experiências de Física, podemos enunciar o seguinte:
“Toda vez que um condutor elétrico que está carregado é ligado a Terra, o mesmo perde sua carga ficando neutro.”
Nos circuitos elétricos o símbolo da Terra ou muitas vezes denominado Fio Terra é representado a seguir:
Exercícios Resolvidos
01 – (FisMática) Em um sistema isolado, tem se inicialmente dois corpos idênticos A e B, com cargas elétricas QA = 12 μC e QB = –3 μC. Os dois corpos se interagem e depois de atingir o equilíbrio eletrostático são separados novamente. Qual o valor final da carga elétrica de cada corpo?
Resolução:
Após ser atingido o equilíbrio eletrostático, os dois corpos ficam com a mesma quantidade de carga elétrica.
Para calcularmos a quantidade de carga final de cada corpo, podemos simplesmente calcular a média aritmética:
QF = (QA + QB)/2 = [12 + ( –3)]/2 = 9/2 => QF = 4,5 μC
02 – (FisMática) Ainda referente ao exercício anterior, qual dos corpos ganhou e qual perdeu elétrons?
Resolução:
Inicialmente o corpo A tinha carga positiva (mais prótons do que elétrons). Depois do equilíbrio eletrostático, continuou com carga positiva, porém diminuiu seu valor o que nos leva a conclusão que ele recebeu elétrons do corpo B.
Por outro lado, inicialmente o corpo B tinha carga negativa (menos prótons do que elétrons). Depois do equilíbrio eletrostático, ficou com carga positiva, o que nos leva a conclusão que ele cedeu elétrons ao corpo A.
03 – (FisMática) Têm-se três esferas idênticas, uma carregada eletricamente com carga 5Q, outra com carga 7Q e a outra eletricamente neutra. Colocando-se as três esferas em contato qual será a carga final de cada uma?
Resolução:
Pelo fato das três esferas serem idênticas, após o contato e equilíbrio eletrostático, todas ficaram com a mesma quantidade de carga elétrica.
Para obtermos o resultado basta somar todas as cargas e dividir o resultado por três, lembramos que a esfera neutra tem carga líquida igual a zero.
QF = (5Q + 7Q + 0)/3 = 12Q/3 => QF = 4Q