Eletrostática e a energia elétrica

A electrostática (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.

Eletrização 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.

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)

 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.

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;

F = \frac{k|q_1||q_2|}{K\;r^2}

Onde r é a distância entre as cargas, q_1 e q_2 são as cargas das duas partículas, k é uma constante de proporcionalidade designada de constante de Coulomb, e K 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,  K pode ser eliminada na equação.

No sistema internacional de unidades, o valor da constante de Coulomb é:

  k = 9\times 10^9\ \mathrm{\frac{N\cdot m^2}{C^2}}

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.

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).

Tipos de cargas elétricas

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.

As trovoadas como fenómeno de electroestática

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.

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.

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.