Electrostática e a energia eléctrica
INTRODUÇÃO
O presente trabalho aborda questões relacionadas à
electrostática e a energia eléctrica, que no ponto de vista científico são
elementos físico – químico, que interagindo entre eles produzem a
electricidade. Este trabalho está constituído pelos títulos e subtítulos que de
uma forma legível estão esclarecidos pormenorizadamente e com suas
especificações conforme nos foi dirigido. Sendo assim o interesse na resolução
do tema é de grande expectativa para o aperfeiçoamento do nosso intelecto.
ELECTROSTÁTICA E A ENERGIA
ELÉCTRICA
A eletrostática (do grego elektron + statikos, estacionário) é o ramo da electricidade que estuda as propriedades e
o comportamento de cargas eléctricas em repouso, ou que estuda os fenómenos do equilíbrio da electricidade nos corpos que de alguma
forma se tornam carregados de carga eléctrica, ou electrizados.
A
electrostática, basicamente, é a parte da electricidade que estuda as cargas
eléctricas em repouso. Mesmo com uma definição tão simples a princípio, muita
gente ainda confunde alguns conceitos dentro desse estudo.
A energia eléctrica é uma forma de gerar energia baseada
na geração de diferenças de potencial eléctrico entre dois pontos, que permitem
estabelecer uma corrente eléctrica entre ambos. Mediante a transformação
adequada é possível obter que tal energia mostre-se em outras formas finais de
uso directo, em forma de luz, movimento ou calor, segundo os elementos da conservação
da energia.
É uma das formas de energia que a
humanidade mais utiliza na actualidade, graças a sua facilidade de transporte,
baixo índice de perda energética durante conversões. A energia eléctrica é
obtida principalmente através de termoeléctricas, usinas hidroeléctricas,
usinas eólicas e usinas termonucleares.
1.
ELECTRIZAÇÃO DOS
CORPOS
O processos de electrização
dos corpos é um
processo Electrostático de acrescentar ou retirar electrões de um corpo neutro para que passe a estar electrizado. Quando um
corpo electrizado estiver com número diferente de protões e electrões, ou seja, quando não estiver
neutro, denomina-se electrização.
Existem vários processos para electrizar um corpo,
dentre os principais são: Electrização por contacto, Electrização por atrito e Electrização.
Electrização por atrito
É um processo de atrito, quando dois corpos de substâncias diferentes ficam
electrizados, trocam electrões ao serem atritados.
Electrização por contacto
É um processo capaz de electrizar um corpo quando
feito por contacto, os electrões do corpo electrizado, este for negativo, irão
transferir-se para o corpo neutro através de contacto como ele. Caso o corpo
electrizado seja positivo, os electrões do corpo positivo é que irão
transferir-se ao corpo electrizado e ambos ficarão electrizados.
Electrização por indução
É um processo feito por indução,
quando um corpo electrizado negativamente, que chamamos de indutor, e outro
corpo, inicialmente neutro, que chamamos de induzido. Ao aproximar um corpo
electrizado de outro neutro, haverá a separação das cargas eléctricas. Se ainda
na presença do corpo electrizado e o neutro (induzido) for ligado a outro de
grande capacidade electrostática, esses trocarão cargas e o corpo neutro
ficará electrizado.
2.
OS FENÓMENOS ELÉCTRICOS E A SUA IMPORTÂNCIA
Os fenómenos eléctricos são fenómenos
que envolvem a electricidade como: a tensão, a corrente, o campo magnético, a
electrostática, a electrolise, os trovões, os raios, os condutores os isolantes
e tantos outros elementos que aparecem como elementos eléctricos na natureza.
O estudo dos fenómenos eléctricos são
importantes para compreensão dos complexos processos físicos e químicos que
envolvem a vida, alguns destes são:
·
Excessos
de iões nos lados internos e externos da superfície celular
·
Diferenças
de concentração iónicas no interior da célula e no meio extra celular
·
Grande
quantidade de energia metabólica (20% da taxa basal)
3.
A CARGA ELÉCTRICA
Carga eléctrica é uma propriedade física fundamental que determina as interacções electromagnéticas. Esta carga está armazenada em grande
quantidade nos corpos ao nosso redor, mas a percepção dela não ocorre facilmente.
Convenciona-se a existência de dois tipos de carga, a positiva e a negativa,
que, em equilíbrio, são imperceptíveis. Quando há tal igualdade ou equilíbrio
de cargas num corpo, diz-se que está electricamente neutro, ou seja, está sem
nenhuma carga líquida para interagir com outros corpos. Um corpo está carregado
electricamente quando possui uma pequena quantidade de carga desequilibrada ou
carga líquida. Objectos carregados electricamente interagem exercendo forças, de atracão
ou repulsão, uns sobre os outros. A unidade de medida da grandeza carga
elétrica no Sistema Internacional de
Unidades é o coulomb,
representado por C, que recebeu este nome em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb.
Força entre cargas
No século XVIII Benjamin
Franklin descobriu que as cargas
eléctricas colocadas na superfície de um objecto metálico podem produzir forças
eléctricas elevadas nos corpos no exterior do objecto, mas não produzem nenhuma
força nos corpos colocados no interior.
Fig. 1 - Duas cargas pontuais, separadas por uma
distância r.
No século anterior Isaac Newton já tinha demonstrado de forma analítica que
a força gravítica produzida
por uma casca oca é nula no seu interior. Esse resultado é consequência da
forma como a força gravítica entre partículas diminui em função do quadrado da
distância.
Concluiu então Franklin que a força eléctrica entre
partículas com carga deveria ser também proporcional ao inverso do quadrado da
distância entre as partículas. No entanto, uma diferença importante entre as
forças eléctrica e gravítica é que a força gravítica é sempre atractiva,
enquanto que a força eléctrica pode ser atractiva ou repulsiva:
·
A força eléctrica
entre duas cargas com o mesmo sinal é repulsiva.
·
A força eléctrica
entre duas cargas com sinais opostos é atractiva.
Vários anos após o trabalho de Franklin, Charles de Coulomb fez
experiências para estudar com precisão o módulo da força electrostática entre
duas cargas pontuais.
Uma carga pontual é uma distribuição de cargas numa
pequena região do espaço.
A lei de
Coulomb estabelece que o módulo da
força eléctrica entre duas cargas pontuais é directamente proporcional ao valor
absoluto de cada uma das cargas, e inversamente proporcional à distância ao
quadrado;
Onde 
é a distância entre as
cargas, 
e 
são as cargas das
duas partículas, 
é uma constante de
proporcionalidade designada de constante de Coulomb, e 
é a constante
dieléctrica do meio que existir entre as duas cargas. A constante dieléctrica
do vácuo é exactamente igual a 1, e a constante do ar é muito próxima desse
valor; assim, se entre as cargas existir ar, pode ser eliminada na
equação.
é a distância entre as
cargas, e são as cargas das
duas partículas, é uma constante de
proporcionalidade designada de constante de Coulomb, e é a constante
dieléctrica do meio que existir entre as duas cargas. A constante dieléctrica
do vácuo é exactamente igual a 1, e a constante do ar é muito próxima desse
valor; assim, se entre as cargas existir ar, pode ser eliminada na
equação. 
Outros meios diferentes do ar têm constantes dieléctricas
K sempre maiores que o ar; consequentemente, a força eléctrica será mais fraca
se as cargas pontuais forem colocadas dentro de um meio diferente do ar.
4.
DETERMINAÇÃO DE NÚMERO DE ELECTRÕES
Todo átomo tem um número atómico e massa
do elemento que se pode encontrar numa tabela periódica, o número de cima é A=
massa do elemento que é maior do que Z= número atómico, os protões e electrões
serão iguais ao número atómico, os neutrões serão igual a A-Z.
Exemplo: Vamos supor o seguinte
átomo: FE (ferro) seu número atómico=56 e sua massa é 26 então ele tem 26 protões,
26 electrões, e 30 neutrões (porque 56-26=30).
5.
TIPOS DE CARGAS ELÉCTRICAS
A carga eléctrica consiste na quantidade
de cargas eléctricas elementares que existem no interior de um corpo. Existem
dois tipos de cargas, positivas e negativas, que se podem compensar, originando
corpos electricamente neutros, isto é, com igual quantidade de cargas positivas
e negativas. Duas partículas que possuam cargas iguais (ambas positivas ou
ambas negativas) interactuam por repulsão uma à outra. Duas partículas com
cargas diferentes (uma positiva e outra negativa) interactuam por atracão uma à
outra. A intensidade da interacção é determinada pela lei de Coulomb. A unidade
natural de carga negativa é a carga de um electrão, a qual é igual mas de
efeito contrário à carga positiva do protão. A carga eléctrica pode ser também
gerada por transformação química e surge como um excesso de electrões (carga negativa)
ou como uma deficiência de electrões (carga positiva) numa substância. Um fluxo de partículas carregadas, especialmente um
fluxo de electrões, constitui uma corrente eléctrica.
6.
AS TROVOADAS COMO FENÓMENO DE ELECTROSTÁTICA
Uma trovoada consiste num conjunto de
fenómenos intensos associados a cumulonimbus: relâmpagos, trovões, rajadas de
vento, inundações, granizo e, possivelmente, tornados.
Para uma trovoada se formar é necessário que exista elevação de ar húmido numa atmosfera instável. A atmosfera fica instável quando as condições são tais que uma bolha de ar quente em ascensão pode continuar a subir porque continua mais quente do que o ar ambiente. (A elevação do ar quente é um mecanismo que tenta restabelecer a estabilidade. Do mesmo modo, o ar mais frio tende a descer e a afundar-se enquanto se mantiver mais frio do que o ar na sua vizinhança.) Se elevação de ar é suficientemente forte, o ar arrefece (adiabaticamente) até temperaturas abaixo do ponto de orvalho e condensa, libertando calor latente que promove a elevação do ar e «alimenta» a trovoada. Formam-se cumulonimbus isolados com grande desenvolvimento vertical (podendo ir até 10 ou 18 mil metros de altitude) alimentado pelas correntes ascendentes de ar. As trovoadas podem-se formar no interior das massas de ar (a partir da elevação do ar por convicção - comum em terra nas tarde de Verão - quando o aquecimento da superfície atinge o seu pico - e sobre o mar nas madrugadas de inverno, quando as águas estão relativamente quentes); por efeito orográfico - (a barlavento das grandes montanhas) ou estar associadas a frentes - sendo mais intensas no caso das frentes frias. As trovoadas mais fortes são geradas quando ar quente e húmido sobe rapidamente, com velocidades que podem chegar aos 160 km por hora, até altitudes mais elevadas e mais frias. Em cada momento há na ordem de 2000 trovoadas em progresso sobre a superfície da Terra. Os relâmpagos surgem quando as partículas de gelo ou neve de uma nuvem começam a cair de grande altitude em direcção à superfície e correspondem à libertação de energia devida à diferença de carga entre as partículas.
Para uma trovoada se formar é necessário que exista elevação de ar húmido numa atmosfera instável. A atmosfera fica instável quando as condições são tais que uma bolha de ar quente em ascensão pode continuar a subir porque continua mais quente do que o ar ambiente. (A elevação do ar quente é um mecanismo que tenta restabelecer a estabilidade. Do mesmo modo, o ar mais frio tende a descer e a afundar-se enquanto se mantiver mais frio do que o ar na sua vizinhança.) Se elevação de ar é suficientemente forte, o ar arrefece (adiabaticamente) até temperaturas abaixo do ponto de orvalho e condensa, libertando calor latente que promove a elevação do ar e «alimenta» a trovoada. Formam-se cumulonimbus isolados com grande desenvolvimento vertical (podendo ir até 10 ou 18 mil metros de altitude) alimentado pelas correntes ascendentes de ar. As trovoadas podem-se formar no interior das massas de ar (a partir da elevação do ar por convicção - comum em terra nas tarde de Verão - quando o aquecimento da superfície atinge o seu pico - e sobre o mar nas madrugadas de inverno, quando as águas estão relativamente quentes); por efeito orográfico - (a barlavento das grandes montanhas) ou estar associadas a frentes - sendo mais intensas no caso das frentes frias. As trovoadas mais fortes são geradas quando ar quente e húmido sobe rapidamente, com velocidades que podem chegar aos 160 km por hora, até altitudes mais elevadas e mais frias. Em cada momento há na ordem de 2000 trovoadas em progresso sobre a superfície da Terra. Os relâmpagos surgem quando as partículas de gelo ou neve de uma nuvem começam a cair de grande altitude em direcção à superfície e correspondem à libertação de energia devida à diferença de carga entre as partículas.
7.
CORRENTE ELÉCTRICA E AS SUAS FONTES
Em física, corrente eléctrica é o
movimento ordenado de partículas portadoras de cargas eléctricas.
Microscopicamente as cargas livres estão em movimento aleatório em razão da
agitação térmica. No entanto, se aplicarmos um campo eléctrico na região das
cargas é possível observar que elas passam a ter movimento ordenado. Esse
movimento se chama movimento de deriva de cargas livres.
Os condutores eléctricos oferecem
maior facilidade à passagem de corrente eléctrica. Quando se aplica uma tensão
nos terminais de um condutor metálico origina-se um campo eléctrico que exerce
força sobre os electrões livres, que abandonam os átomos e movimentam-se em
sentido contrário ao do campo. Define-se intensidade de corrente como sendo a
razão entre a quantidade de cargas pelo intervalo de tempo, de forma que
matematicamente fica:
Onde ΔQ é a quantidade de carga. A
unidade de corrente eléctrica no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o ampere
(A) em homenagem a André-Marie Ampère, físico francês, um dos fundadores do electromagnetismo.
No começo dos estudos e observações
sobre a corrente eléctrica, os cientistas supunham que ela era constituída pelo
movimento de um fluido eléctrico positivo. Esse fluido se deslocaria fora da
pilha, do seu pólo positivo para o negativo, ou seja, contra o sentido dos electrões.
Após vários anos, mais precisamente no século XX, os cientistas verificaram que
nos metais a corrente eléctrica estava relacionada ao movimento dos electrões,
contudo eles já estavam habituados com o sentido de corrente de cargas
positivas. Para não gerar transtornos com uma possível mudança eles concordaram
em continuar a trabalhar com o sentido de corrente positiva, denominada agora
de corrente imaginária, para substituir a corrente de electrões. Isso foi
possível porque verificaram que as duas correntes, a de cargas positivas e a de
electrões, eram equivalentes. Assim sendo, a corrente de cargas positivas
passou a ser conhecida como corrente convencional. Esse sentido de corrente é
contrário ao movimento dos electrões.
Corrente
contínua e corrente alternada
Na corrente contínua as cargas eléctricas
que a constituem se movimentam apenas num sentido, ou seja, do pólo positivo da
fonte de tensão para o pólo negativo, chamado de sentido convencional. Na
corrente alternada o que ocorre é diferente. Nesse tipo de corrente as cargas eléctricas
ficam oscilando em um sentido e em outro. Nas residências é esse o tipo de
corrente eléctrica. Ela é gerada a partir das usinas nucleares, termoeléctricas
e das grandes usinas hidroeléctricas. O número de oscilações que essas cargas efectuam
em um segundo é denominado de frequência.
As fontes da corrente eléctrica
Em
nosso planeta encontramos diversos tipos de fontes de energia. Elas podem ser
renováveis ou esgotáveis. Por exemplo, a energia solar e a eólica (obtida
através dos ventos) fazem parte das fontes de energia inesgotáveis. Por outro
lado, os combustíveis fósseis (derivados do petróleo e do carvão mineral)
possuem uma quantidade limitada em nosso planeta, podendo acabar caso não haja
um consumo racional.
8.
ESTRUTURAS DOS ÁTOMOS
Segundo esse modelo, a estrutura do
átomo apresenta basicamente duas regiões distintas, que são:
* Núcleo:
É
uma região maciça, compacta e densa que fica no centro do átomo. O núcleo atómico é divisível, pois é constituído de duas
partículas diferentes:
- Protões:
são
partículas carregadas positivamente com carga relativa igual a +1. Sua massa
relativa também é de 1.
O número de protões existente no
núcleo é chamado de número atómico (Z) e é o responsável pela diferenciação
de um elemento químico de outro, ou seja, cada elemento químico é formado por
um conjunto de átomos que possui o mesmo número atómico ou a mesma quantidade
de protões.
- Neutrões:
como o
próprio nome indica, essas são partículas neutras, isto é, não possuem carga eléctrica.
Assim, os neutrões diminuem a força de repulsão entre os protões no núcleo
(tendo em vista que cargas de mesmo sinal repelem-se).
Essas partículas subatómicas possuem a
massa relativa praticamente igual à dos protões, isto é, 1. Mas, na realidade,
a massa do neutrão é um pouco maior que a do protão. Isso é interessante
porque, se fosse o contrário, isto é, se os protões fossem ligeiramente mais
pesados do que os neutrões, todos os protões seriam transformados em neutrões.
O resultado seria que, sem os protões, os átomos não existiriam.
Nota:
·
O
tamanho do núcleo depende da quantidade de neutrões e protões que ele possui.
Entretanto, pode ser dito que, em média, o núcleo atómico tem o diâmetro em
torno de 10-14 m e
10-15 m.
·
O
protão e o neutrão são partículas 100 mil vezes menores do que o próprio átomo
inteiro.
·
A
massa do átomo é dada praticamente somente pelo número de protões e neutrões
existentes no núcleo. Isso ocorre porque cada protão e cada neutrão são 1836
vezes maiores que um electrão. Por essa razão, a massa dos electrões torna-se
insignificante.
* Electrosfera:
É uma região periférica ao redor
do átomo onde os electrões ficam girando em volta do núcleo.
- Electrões:
Estes
foram as primeiras partículas subatómicas descobertas (no anos de 1897, por J.
J. Thomson). São partículas carregadas negativamente, cuja carga relativa é de
-1. Sua carga em coulomb é igual a 9,110. 10-31 C.
Apesar de os electrões serem
negativos, o átomo no estado fundamental é neutro, pois ele possui a mesma
quantidade de electrões e de protões. Isso significa que as cargas negativas
dos electrões anulam as cargas positivas dos protões, assim, o átomo fica
neutro.
Quando os átomos realizam ligações
químicas para formar as substâncias simples e compostas, isso ocorre com os electrões.
Há então uma transferência ou um compartilhamento de electrões entre dois ou
mais átomos.
As ilustrações da estrutura do átomo
são apenas modelos, mas não representam a realidade. Por exemplo, a maior parte
do átomo é um grande vazio. Para você ter uma ideia, pense no átomo de hidrogénio
formado por um protão e um electrão. Se o núcleo desse átomo fosse do tamanho
de uma bola de ténis, o seu electrão orbitante estaria a uma distância de três
quilómetros! A electrosfera é maior que o átomo cerca de 10 000 a 100 000
vezes.
CONCLUSÃO
Sendo assim, depois da pesquisa feita, chegamos a
conclusão de que os elementos abordados no trabalho fazem parte dos
constituintes dos elementos físicos e químicos que por sua vez formam a
electricidade. É de salientar de que os benefícios obtidos na elaboração deste
trabalho são de maior relevância, visto que a profundeza em que se chegou no
momento da investigação deram ênfases na percepção deste tema. Sendo assim é
importante dizer que a ideia obtida pelo docente, releva-se a um dos aspectos
muito essenciais no método de ensino e aprendizagem.
BIBLIOGRAFIA
Processos da electrização. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Processos_de_eletriza%C3%A7%C3%A3o. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
As cargas eléctricas. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9trica. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
Os fenómenos eléctricos. Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA46gAD/fenomenos-eletricos-na-celula. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
As trovoadas. Disponível em: http://www.meteopt.com/forum/topico/trovoada-e-raios-descargas-electricas-relampagos.1053/. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
A corrente eléctrica. Disponível em: http://www.mundoeducacao.com/fisica/corrente-eletrica.htm. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
A estrutura atómica. Disponível em: http://www.mundoeducacao.com/quimica/estrutura-atomo.htm. Acessado aos 11 de Setembro de 2015.
