Buscando a origem da Eletricidade

Apresentamos a origem dos fenômenos elétricos que tanto mudaram as comodidades diárias que a humanidade passou a desfrutar a partir do final do século 19. Para entendermos as características da força elétrica a comparamos com a força com que lidamos no nosso cotidiano: a força gravitacional. Mostramos que os átomos da Tabela Periódica são constituídos de elétrons, prótons e nêutrons e entre essas partículas as que possuem carga elétrica são a origem dos fenômenos elétricos. Discutimos a convenção das correntes elétricas nos circuitos e sua relação com o movimento microscópico dos elétrons.

1. 1
UFF, ORIGEM DA ELETRICIDADE ...
Apresentação
1. O que é força?
2. As forças com que convivemos no dia-a-dia
3. Convenção da corrente elétrica
Maria Teresa Thomaz (UFF)
[email protected]
2.1. Força da Gravidade
2.2. Força Elétrica
Resumo
Apresentamosaorigemdosfenômenoselétricosquetantomudaram ascomodidadesdiárias
queahumanidadepassouadesfrutarapartirdofinaldoséculo19.Paraentendermosas
característicasdaforçaelétricaacomparamoscomaforçacomquelidamosnonossocotidiano:
aforçagravitacional.MostramosqueosátomosdaTabelaPeriódicasãoconstituídosde
elétrons,prótonsenêutronseentreessaspartículasasquepossuemcargaelétricasãoaorigem
dosfenômenoselétricos.Discutimosaconvençãodascorrenteselétricasnoscircuitosesua
relaçãocomomovimentomicroscópicodoselétrons.

2. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE … 2
AMatemática,aslinguagensescritas(latim,grego,português,...)ea
Ciêncianascemdasnossasnecessidadesnodia-a-diaquandovivemos
emcomunidade.
Anossacuriosidadeprocurasituaçõesqueachamosquetemalgum
problema,cujaarespostanãonossatisfazouqueachamosquea
respostaestáerrada.
EncontramosproblemasparatiraronossosustentodaTerraemque
vivemosenosorganizarparaviveremcomunidades/cidades.Enquanto
gruponosunimosparasobreviverdamelhorformapossívelaomundo
quenosrodeia.
Assim nasce a Ciência e os cientistas/pesquisadores...
CadapalavraqueusamosnaCiênciatemasuaorigememaçõesecoisas
comqueconvivemosnonossodiaadia.

3. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 3
1. O que é força?
Aforçaquefazemossobreumapessoa,sobreumanimalousobreumobjetoé
umpuxãoouempurrãoquerealizamossobreelaouele.
O que fazemos para lançar uma bola no jogo de futebol?
Damosumchutenabola,empurrando-acomonossopé.Paradarmovimentoa
bolafazemosumforçasobreela.
Sir Isaac Newton nos ensinou que as forças são responsáveis por começarmos
a nos movimentar e para pararmos.
Temos diferentes tipos de forças:
1.forças de contato:
no abraço
força elástica
forças normal
e peso
força de atrito

4. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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É possível puxarou empurrarsem tocarna pessoa, no animal ou no objeto?
2. forças semcontato :
Sempreque largamosum objeto ele cai em direção ao
chão. O objeto é puxadopara o chão.
O imã é puxadopela parede da geladeira ou
qualquer pedaço de ferro.
Nem todo empurrão e/ou puxão que sentimos tem algo nos tocando !!!!
Pedra de Hematita

5. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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2. As forças com que convivemos no dia-a-dia
TodosospuxõeseempurrõesqueexistememtodooUniversosãoexplicadaspor4
ForçasFundamentaisdaNatureza.Sãoessasforçasqueexplicamadurezadapedra,a
águaquerola,omecanismodafotossíntesequepermitemasplantasgeraremogás
oxigênioquerespiramos,omovimentodaLuaemtornodaTerra,osistemasolar,...
Só existem apenas 4 Forças Fundamentais? Não sabemos. Continuamos a fazer
perguntas e procurar respostas.
Existem duas Forças Fundamentais com que convivemosno nosso dia-a-dia.
Essas forças são tão comuns na nossa vida que acabamos não dando a elas a
devida importância:
►Força da Gravidade
►Força Elétrica

6. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
6
2.1. Força da Gravidade
A primeira força com que nos defrontamos na nossa vida:
Porque o bebê cai?
É a força da gravidade !!!
Sir Isaac Newton nos ensinou que quaisquer 2
objetos que possuem massaseatraem.
Sir Isaac Newton
1
6
4
3
-
1
7
2
7

7. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 7
O que é massa?
Utilizamos a palavra massapara falar do que as pessoas, animais e objetos são feitos:
Massado bolo
Massa das pedras
Massa da Teresa
É o valor da massa da pessoa, animal ou objeto que pesamos na balança:
A massaé uma característica
do corpo.
Maçã
Vaquinha
Terra

8. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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O que acontece com todas as massas?
Quando as largamos no ar, todassão sempre
puxadaspara o chão !!!
Quando você conversa com um brasileiro que linguagem você usa?
Português.
Quando você conversa com um americano que linguagem você usa?
Inglês.
Quando você conversa com a Naturezaque linguagem você usa?
Matemática.
Como nos comunicamos:
Porque???
O jovem Isaac Newton

9. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Relembrando um pouco de Matemática:
Na Física temos algumas grandezas que sãomuito grandes
e outras que sãomuito pequenas.Para manipulá-las de forma fácil
utilizamos potências de 10.
Vejamos alguns exemplos:
��= ��
+�
����=������=��
+�
1.000.000 = ��
+�
1 10
0, 10
0
�
��
= ��
−�
= 0,1
�
����
=
�
������
= ��
−�
= 0,001
�
���.���.���.���
= ��
−��
= 0,00000000001

10. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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O que Sir Isaac Newton nos ensinou sobre o puxãoque se faz
com todos os corpos em direção ao chão:
Este puxãoé dado pela força da gravidade,�
�,
�
�=�.
�
�.�
�
�
�
onde:
�=�,����
−��
�
�
�??????.�
�
sendo
m
1: massa do objeto 1
m
2 : massa do objeto 2 r : distância entre os centros dos objetos
G: constante da Gravitação

11. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Sedoiscorposquepossuemmassasempreseatraem,porquequandoeulargo
uma“maçã”aumadistânciade0,5mdemim,elanãovainaminha
direção?
Newton nos ensinou a calcular as forças que agem
sobre a maçã quando a solto:
1)Força com que eu puxo/atraio a maçã :
m
Tt= 80 kg, m
maçã= 10g = 0,01kg, r = 0,5m
Teresa: 80kg
??????=�,���
−��
??????
2)a força que a Terra atrai/puxa a maçã (peso):
M
Terra= 6 . 10
+24
kg m
maçã= 10g, R
Terra= 6.378km
Terra: 6 . 10
+24
kg
P = 9,7 ��
−�
N

12. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 12
Porquê quando largamos a maçã ela semprecai em direção a Terra?
Relembrando:
??????=�,���
−��
?????? P = 9,7 ��
−�
N
Assim,
Conclusão:aforçacomqueaTerraatraitodososobjetosquetêmmassaéMUITO
MAIORqueaforçaquenósexercemossobreeles.Esqueçaaforçaquefazemos
sobreeles!!!
??????
??????
=
2,1×10
−10
??????
9,7×10
−2
??????
F ≈
�×??????
�.���.���.���

13. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 13
2.2. Força Elétrica
A Força Elétrica é partede uma força chamada de Força Eletromagnética.
Como sentimos no nosso dia-a-dia essa Eletricidade?
Normalmentepassamosamãonaparedeenão
sentimosnada,massecolocamosodedona
tomada,quetenhatensãoelétrica,....
Setiverumafugadecorrenteelétricano
chuveiroelétricoeotocamosenquanto
estamoscomopénaágua,levamosum
choqueelétrico.

14. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Qual a parte da Ciência que estuda a corrente elétrica?
AEletricidade.
Quandoo homem/mulher começaram e sentiros efeitos da
Eletricidade?
Textosegípciosde2.750a.C.mencionam os“peixes
elétricos”noRioNilo.Naturalistasemédicosgregos,
romanoseárabesemerasa.C.mencionamosefeitosde
choqueselétricosparatrataraspessoasquesofriamde
gotaedoresdecabeça.
NoBrasiltemosaenguiaelétrica(poraquê)quedá
choqueaotocá-la.
O choque que sentimos ao tocá-la é forte?
de 300V a 1.500V

15. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
15
Temosacorrenteelétricanosraiosdastrovoadas,emalgunspeixes.
Acorrenteelétricaaqueceaáguaquesaidochuveiro.
TudoéEletricidade!!!!
Comomanterumacorrenteelétricanofioparamanteraluzacessa?
Alessandro Volta: criou a pilha voltaica/bateria.
Pilha voltaica: camadas de zinco e cobre. Fonte
de corrente elétrica: manter cargas elétricas em
movimento.
Hoje temos:

16. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
16
O que é responsável por fazer aparecer os efeitos da Eletricidade?
Atéquaseofinalde1890seacreditavaquefluidoseramresponsáveispelos
efeitoselétricos.Algunscientistasdaépocaacreditavamquehaviamdoistipos
defluidoselétricos:fluidoelétricopositivoefluidoelétriconegativo.
Aoestudarosraioscatódicosem1897,JosephJohn
Thomsondescobriuoelétron,umapartículadecarga
elétricanegativa.
Ascargaselétricaspositivastambémsãopartículas.Em1918
ErnstRutherforddescobriuoprótonqueéumapartículade
cargaelétricapositiva.
Ernst Rutherford
Joseph J. Thomson

17. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 17
Origem da Eletricidade: alguns materiais além de massa possuem
outra característica: a carga elétrica.
Quantos tipos diferentesde carga elétrica?2 tipos:
cargas positivas (+),
cargas negativas (-).
Cargas elétricas com o mesmosinal: se empurram
Cargas elétricas com sinais diferentes: se puxam

18. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Elétron: foi descoberto por J.J. Thomson em 1897 .
m
el= 9,1 . 10
-28
g
carga elétrica: �
??????
−= -1,6. 10
-19
C
= -0,00000000000000000016 C
As cargas negativas são MÚLTIPLASda carga do elétron: 4 x �
??????
−, 1.000 x �
??????
−,…
Próton: foi descoberto E. Rutherford em 1918.
M
pr= 1,672. 10
-24
g
(M
pr~ 1870 m
el)
carga elétrica = �
�
+= + 1,6. 10
-19
C
= + 0,00000000000000000016 C
Os valores das cargas positivas e negativas na matéria:
As cargas positivas são MÚLTIPLASda carga do próton: 24 x �
�
+, 3.000 x�
�
+,…

19. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
19
Vejamos os tijolos da Natureza a partir dos quais toda a matéria é feita.
Qual a menor quantidade que mantém todaspropriedades de cada matéria?
A moléculada matéria.
Como exemplo de um tipo de matéria, consideramos a água;
água
átomo
átomo
lego
Do que são feitos os átomos, os legosda Natureza?
Podem ser constituídos de
até 3 partículas diferentes;
elétron: carga elétrica negativa
próton: carga elétrica positiva
nêutron: carga elétrica nula

20. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Comooselétrons,prótonsenêutronsejuntamparaformaroslegosda
Natureza,ouseja,dosátomos?
átomo de oxigênio
e
átomo de hidrogênio
A carga elétrica total de cada átomoé nula (zero).
Sesomosfeitosdessas
partículasgirandoemtorno
denúcleosformadosde
outraspartículas,porque
nãoasvemos?
Erwin Schrödinger

21. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
20
O átomo mais simples da Natureza: átomo de hidrogênio.
Qual o tamanho típico de um raio atômico do hidrogênio?
�
���~��
−��
�=�,�����������
É possível verum átomo de hidrogênio a olho nu?
Comparamoso raio atômico de hidrogênio com algo que enxergamos:
• espessurade um cabelo: 0.1mm = 10
-4
m = 0,0001m
raio do átomo:
�
���=
�����������������
�.���.���
diâmetro do núcleo:�
�ú����~��
−��
�=
�����������������
��.���.���.���

22. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Força Elétrica:
Em1785Coulombconseguiudeterminaraexpressão
daforçaentrecargaselétricaspontuais:
|�
�−??????|= k ×
|�.??????|
�
�
�=�,����
+�
??????�
�
??????
�
empurrão/repulsão
puxão/atração
Embora as massassó possam se puxaratravés da Força da Gravidade, as cargas elétricas
podem se puxarou se empurraratravés da Força Elétrica.
CharlesAugustin
deCoulomb
1
7
3
6
-
1
8
0
6

23. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
23
As partículas que constituem o átomo, elétron, próton e nêutron sentem a
força elétrica?
elétron: carga elétrica negativa sentea força elétrica
sentea força elétricapróton: carga elétrica positiva
nêutron: carga elétrica nula não sente a força elétrica
Comparação entre as massas dos elétrons, prótons e nêutrons:
�
�ê�����≈�
��ó���≈�.���×�
??????����
Uma quantidade de elétrons que corresponde a uma massa total de 1kg, o mesmo
número de prótons vai ter uma massa total de 2 toneladas (~2.000 kg)!!!!
mala vazia: ~1,3kg
Ambulância: ~2,2 tonelada
O que é mais fácil empurrar?

24. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 24
Éomundodomuitopequeno,oátomo,responsávelpelascorrenteselétricas,cargas
elétricasemmovimento,quepassampelosnossoequipamentos,fazendo-osfuncionar.
O que é a tensão elétrica ou diferença de potencial (ddp)?
V
A
V
B
→
E V
A> V
B
Qualpartícula carregada anda no
fio: elétronou próton?
m
próton~ 2.000 ×m
elétron
Éesseempurrão/forçaelétricanoselétrons
quecriaacorrenteelétricaqueacendealuz:

25. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Aparteinternadosfioséfeitademetaleaparte
externaéfeitadeborrachaouplásticoparanão
sentirmoschoqueaotocarmososfios.Porque?
Osmetais,taiscomo:prata,cobre,ouro,alumínio,latão,
ferro,etc,sãobonscondutoresdecorrenteelétrica.
O corpo humano conduz corrente elétrica?

26. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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Sim, o corpo humano conduz corrente elétrica. mas esta condução de
corrente elétrica não é igual a sua condução num metal.
Sevocêtemumfioligadoatomadaqueestáquebrado,acorrente
elétricanãopassanele.Ocaminhodacorrenteelétricafoicortado.
Sevocêtocanapartedemetaldofio,
acorrentepassapeloseucorpoindo
paraaTerra.Ocaminhodacorrente
elétricavoltaasefechareacorrente
voltaaandarporele.
Existem materiais em que as cargas elétricas tenham dificuldade
em andar através deles?
Meios isolantes ascorrentes elétricas.

27. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 27
Acorrenteelétricatemdificuldadedeandar
naborracha,vidro,madeiraseca...
isolantes
Éporissoqueusamoschineloousapato
comsoladeborrachaparamexerem
lugaresquepodemterfugadecorrente
elétrica.
Existe isolante perfeito? Não ...

28. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 28
A “bolinha de carga elétrica negativa”, o elétron, que
nós não conseguimos ver, é responsável por:

29. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 29
Comparaçãoentre os efeitos da força gravitacional com a força
eletrostáticasobre pequenos pedaços de papel:

30. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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3. Convenção da corrente elétrica
Precisamos conhecer as características dos átomos para determinarmos as correntes,
ddpe elementos nos circuito elétricos?
Não !!!
Georg Simon Ohm
1
7
8
9
-
1
8
5
4
Georg Ohm em 1827
enunciou a Lei de Ohm:
V = R I .
V: diferença de potencial (ddp) entre a reserva de cargas
positivas e a reserva das cargas negativas.
Ohmnãosoubedadesco-
bertadoelétron,acarga
elementarnegativa,em
1897.
R:resistênciaqueomaterialtemapassagemdascargas
elétricasatravésdele.
I:correnteelétrica,queéomovimentode
cargaselétricaspositivasqueatravessam
umaáreatransversalporunidadedetempo.

31. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
31
Comoépossívelcontinuarausaraescolhadecorrentedecargaselétricaspositivas
nocircuitoseoelétronémuitomuitomaislevequeopróton?
+
+
+
+
+
+-
-
-
-
-
-
+
+
+
+ -
-
-
-
carga
negativa
-
-
-
-
+
+
+
+
carga
positiva
a mesma
situação
elétrica
Comoasituaçãofinalnosdois
depósitosdecargaselétricas
positivasenegativaséamesma,
podemosescolherosentidoque
quisermosparaacorrente.
Atenção: o sentido das
correntesde cargas positivas
é contrárioao sentido das
correntes negativas.

32. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 32
O que escolhemos?
-
-
-
-
+
+
+
+
carga
positiva
V
A
V
B
V
B> V
A
× ×
B A
→
I
V
B> V
A
A correntede cargas positivas I sempre se deslocam no
circuito no sentido de diminuiro valor do potencial elétrico.
Onde no circuito elétrico fica esse depósitode cargas elétricas positivas e negativas?
i) na pilha ii) a tomada na parede
onde

33. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
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A convenção para a corrente elétrica nos circuitos que calculamos:
Existe algum fenômeno elétrico que seja capaz de saber se são cargas elétricas
positivas ou negativas que andam pelo circuito?
Sim, o efeito Hall,mas a discussão desse efeito fica para uma outra conversa.

34. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ...
34
Qual a diferença entre força da gravidade e a força elétrica?
Força da gravidade: puxão entre massas.
Força elétrica: puxão ouempurrão entre
cargas elétricas.
O que é a corrente elétrica que faz os aparelhos funcionar?
Elétrons em
movimento.
O mundo do muito pequeno(10
–10
m) nos dá o conforto do nosso dia-a-dia.
Convençãodacorrenteelétrica:cargaselétricaspositivasandandoao
longodofio.

35. UFF, ORIGEMDA ELETRICIDADE ... 35
Vivaomundodoátomo,quenãovemos,masqueéa
basedarevoluçãotecnológicadonossotempo.
Obrigada pela sua atenção !!!