Propriedades da carga elétrica e da estrutura atômica
Nesta aula, revisaremos o conceito e a origem da carga elétrica como a causa fundamental dos fenômenos elétricos. Começaremos com uma análise histórica em que os gregos observaram propriedades elétricas ao esfregar âmbar com lã, levando à lei dos sinais para modelar atração e repulsão elétrica. Em nível microscópico, exploram-se as partículas subatômicas e como a carga elétrica é inerente à estrutura da matéria, com ênfase especial na composição dos átomos e como determinam as propriedades elétricas da matéria. Por fim, enfatiza-se que, embora um átomo possa ser neutro, ele ainda participa dos fenômenos elétricos devido às interações atômicas e moleculares e à transferência de elétrons.
Objetivos de Aprendizagem:
Ao concluir esta aula, o estudante será capaz de:
- Listar as partículas subatômicas e suas respectivas cargas e massas.
- Explicar por que ao esfregar certos materiais eles adquirem carga elétrica.
- Descrever a relação entre o comportamento observado pelos gregos (âmbar carregado) e a noção moderna de eletricidade.
- Diferenciar entre átomos neutros, cátions e ânions.
ÍNDICE DE CONTEÚDO
O que é carga elétrica?
Fenômenos elétricos na antiguidade
Lei dos sinais
Carga elétrica e estrutura da matéria
Propriedades elétricas da matéria
O que é carga elétrica?
Para entender os fenômenos elétricos, é essencial abordar sua causa subjacente. Da mesma forma que a massa é responsável pela gravidade, a carga elétrica é a causadora dos fenômenos elétricos.
Ao iniciar nosso estudo do eletromagnetismo, é difícil definir exatamente o que é carga elétrica. Este entendimento exige análises mais avançadas do que as que abordaremos inicialmente. No entanto, podemos estudar seu comportamento e propriedades para começar a nos familiarizar com a eletricidade.
Fenômenos elétricos na antiguidade
Na antiguidade, os gregos perceberam que ao esfregar âmbar com lã, ele poderia atrair certos objetos. Este efeito é referido como o âmbar “se tornou carregado” ou “adquiriu carga elétrica”. De fato, a palavra “eletricidade” vem do grego “ήλεκτρον (élektron)”, que significa “âmbar”. Desde os tempos antigos, observou-se que os corpos “carregados eletricamente” apresentavam as seguintes propriedades e comportamentos:
- Se dois materiais A e B, inicialmente neutros (sem carga), forem esfregados um contra o outro, podem adquirir uma carga elétrica. Tais cargas adquiridas por A e B são de igual magnitude.
- Se, após terem sido carregados conforme descrito anteriormente, os corpos A e B forem colocados em contato, as cargas se anulam.
Com base no descrito acima, diz-se que os corpos adquirem cargas iguais, mas complementares. Por isso, designamos tais cargas como “positiva” e “negativa”. Além disso, o comportamento dos corpos carregados pode ser modelado pela lei dos sinais:
Lei dos sinais
Os corpos carregados manifestam o seguinte comportamento:
- Positivo x Positivo = Positivo → REPULSÃO
- Positivo x Negativo = Negativo → ATRAÇÃO
- Negativo x Positivo = Negativo → ATRAÇÃO
- Negativo x Negativo = Positivo → REPULSÃO
Cargas de sinais opostos se atraem, e cargas de mesmo sinal se repelem.
Carga elétrica e estrutura da matéria
A carga elétrica, assim como a massa, é uma propriedade fundamental das partículas que constituem a matéria. A unidade de medida da carga elétrica é o Coulomb, denotado pela letra C. Os átomos são compostos de entidades subatômicas que possuem as cargas e massas específicas mostradas na tabela a seguir:
| Partícula | Massa [kg] | Carga elétrica [C] |
|---|---|---|
| Próton | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| Nêutron | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (neutra) |
| Elétron | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
Comumente, os símbolos p^+, e^- e n_0 representam o próton, elétron e nêutron, respectivamente. Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, enquanto os elétrons orbitam ao seu redor. Mais de 99,9% da massa de um átomo está concentrada em seu núcleo.
O número de prótons no núcleo define o elemento ao qual um átomo pertence. O número de nêutrons define o isótopo desse elemento, e o número de elétrons indica seu estado de ionização. Tradicionalmente, um átomo é considerado neutro, e caso possua elétrons em excesso ou em falta, ele é denominado íon. Os íons podem ser negativos (ânions) ou positivos (cátions).
Propriedades elétricas da matéria
As propriedades elétricas da matéria dependem de sua estrutura interna e de como os átomos ou moléculas interagem entre si. Embora um átomo neutro possa parecer não possuir carga, isso não significa que ele não possa participar de fenômenos elétricos. É importante lembrar que a natureza da carga elétrica depende da interação entre os átomos e moléculas e de sua capacidade de transferir ou compartilhar elétrons formando ligações.