CAPACITORES ELÉTRICO

Também chamado de condensador, ele é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e conseqüente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. A mais simples de todas elas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor muito próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor.

Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado.

Capacitância

É denominada capacitância C a propriedade que os capacitores têm de armazenar cargas elétricas na forma de campo eletrostático, e ela é medida através do quociente entre a quantidade de carga (Q) e a diferença de potencial (V) existente entre as placas do capacitor, matematicamente fica da seguinte forma:

No Sistema Internacional de Unidades a unidade de capacitância é o farad (F), no entanto essa é uma medida muito grande e que para fins práticos são utilizados valores expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) e picofarads (pF). A capacitância de um capacitor de placas paralelas, ao ser colocado um material dielétrico entre suas placas, pode ser determinado da seguinte forma:

Onde:

ε_o é a permissividade do espaço;
A é a área das placas;
d é a distância entre as placas do capacitor.

BLINDAGEM ELETROSTÁTICA

Como sabemos, o campo elétrico no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático é nulo.
Uma aplicação pratica dessa propriedade é a Blindagem Eletrostática, que é um dispositivo empregado na proteção de aparelhos contra as influências elétricas. Constitui-se, basicamente, numa capa ou rede metálica que envolve o aparelho que se quer isolar.
A blindagem eletrostática mostra que uma pessoa dentro de um carro atingido por um raio nada sofrerá, pois a estrutura metálica do carro isola o seu interior das influencias elétricas externas.
Na pratica, isso pode ser comprovado facilmente, utilizando-se de uma gaiola com um passarinho no poleiro. Eletrizam-se as grades metálicas da gaiola e o passarinho continuará como se nada estivesse acontecendo.






Nota:
Em 1755, numa carta a um amigo, Benjamim Franklin escreveu: “Eletrizei uma caneca de prata (de meio litro) e nela introduzi uma esfera de cortiça (material isolante) pendurada num fio de seda, até que ela tocasse o fundo da caneca. A esfera não foi atraída pela caneca (como aconteceria se ela tocasse o lado de fora). O fato é singular.” Eu não sei explicar!!! A explicação foi dada no século XIX, por Michael Faraday, através da seguinte experiência: Eletrizou uma grande gaiola metálica, até que ela soltasse faíscas; usando um eletroscópio, verificou que:
1º. O interior da gaiola não ficou eletrizado; 2º. As cargas em excesso foram tão distanciadas umas das outras que se concentraram na superfície da gaiola.

CAPACITORES ARMAZENAM ENERGIA ELÉTRICA

Capacitores armazenam energia elétrica

Os capacitores são dispositivos com capacidade de armazenar energia elétrica. Você já deve ter notado que na parte de trás dos aparelhos de televisão aparece o símbolo de alta tensão. É prudente levá-lo a sério, porque você poderá levar uma descarga elétrica violenta ao mexer no aparelho de forma imprudente, mesmo que ele esteja desligado da tomada. Isso ocorre justamente por causa dos capacitores: mesmo com o aparelho desligado, existe ainda uma grande quantidade de energia elétrica no televisor.

Na natureza tem-se a energia nas mais diferentes formas e ela pode ser transformada, como vimos no artigo sobre trabalho e energia. Além da energia mecânica, temos a energia elétrica. que também pode ser armazenada na forma de energia potencial. O televisor é um exemplo prático do emprego de capacitores, e não é o único que contém esses dispositivos. Os capaciotres estão presentes em flashes das máquinas fotográficas, ventiladores e muitos outros aparelhos eletro-eletrônicos do nosso dia-a-dia.

Capacidade eletrostática ou capacitância

Como foi dito, a energia elétrica pode ser armazenada e isso se faz através do armazenamento de cargas elétricas. Essas cargas podem ser armazenadas em objetos condutores. A capacidade desses objetos de armazenar cargas elétricas é o que define a sua capacidade eletrostática.

Considere um objeto condutor carregado com certa quantidade de carga Q. Isso faz com que o mesmo possua um potencial V. O que é observado experimentalmente é que, se nós dividirmos a quantidade de carga no condutor pelo potencial adquirido, teremos sempre o mesmo resultado. Ou seja, se dobrarmos a quantidade de carga para 2Q, o potencial irá para 2V, pois assim continuaremos obtendo o mesmo resultado. Podemos concluir, então, que a carga armazenada e o respectivo potencial no condutor são proporcionais.

O resultado da divisão da quantidade de carga pelo potencial adquirido pelo condutor é definido como capacidade eletrostática. Sua unidade no Sistema Internacional é o Coulomb por volt que também conhecida como farad (F).





A capacidade eletrostática depende de dois fatores: o formato do condutor e o meio onde ele está imerso. Para exemplificar, vamos considerar um condutor de forma esférica. Para esse condutor em particular, temos a sua capacidade eletrostática dada pela seguinte equação matemática.





R é o raio do condutor e k é a constante eletrostática do meio. Observe que quanto maior for o raio do condutor, maior será a sua capacidade eletrostática. De maneira simples, quando alteramos a forma de um condutor em particular, alteramos uma grandeza que traduz a capacidade desse condutor em armazenar cargas elétricas.

História dos capacitores

O primeiro capacitor foi construído em 1746 pelo físico holandês Pieter van Musschenbroek, na Universidade de Leyden, na Holanda. Esse capacitor era constituído por uma garrafa de vidro, preenchida por água ou outro líquido. Uma rolha era usada como tampa e por essa tampa passava um condutor que entrava em contato com a água. Essa garrafa é conhecida até hoje como a Garrafa de Leyden.

Para se construir um capacitor, são necessárias duas placas de material condutor e, entre elas, um material isolante. No caso da garrafa de Leyden, uma placa é o condutor em contato com o líquido e a outra placa é mão da pessoa que a segura externamente.

Um dos capacitores mais simples de ser estudado é o capacitor plano. Ele é feito de duas placas planas e paralelas com dois terminais. Entre as placas, como já foi dito, é colocado um material isolante, conhecido como dielétrico. Uma maneira de se carregar esse capacitor é ligando os seus terminais aos terminais de uma pilha, como ilustra a figura abaixo.





Observe que as placas, em branco, adquirem cargas com o mesmo sinal do terminal a que estão ligadas na bateria. Nesse capacitor a carga armazenada é igual a Q e ele está submetido a uma diferença de potencial U. A capacidade eletrostática do capacitor é dada por uma relação muito semelhante à da figura 1, só que ao invés do potencial V, teremos a diferença de potencial U.





Vale assinalar que o fato das placas serem paralelas e planas faz com que o campo elétrico formado entre essas placas seja um campo elétrico uniforme. Esse campo é caracterizado por ter a mesma intensidade em toda a sua extensão e pelo fato de as suas linhas de força serem paralelas e igualmente espaçadas.

Energia no capacitor

Sabemos que um capacitor é capaz de armazenar cargas elétricas e, conseqüentemente, energia potencial elétrica. Uma maneira de se determinar essa energia potencial é utilizar um método gráfico. Pela equação que se encontra na figura 4, monta-se um gráfico da diferença de potencial U pela carga acumulada no capacitor Q. Concluída a construção do gráfico, determina-se a área entre a reta do gráfico e o eixo da diferença de potencial.





Observe que o gráfico resultou numa reta, pois a relação entre U e Q é dada por uma equação do primeiro grau.

Uma aplicação muito simples do capacitor se encontra no flash de máquinas fotográficas. Observe que, ao se ligar o flash, uma luz vermelha leva um certo tempo até acender. Durante o acendimento dessa luz, o capacitor está sendo carregado. Quando a luz está acesa, o flash está pronto para ser disparado. Um fato interessante é que, mesmo depois de desligado, se você apertar o botão disparador do flash, ele irá funcionar. Isso se explica de maneira bem simples. Apesar do desligamento do aparelho, o capacitor continua carregado.

CAPACIDADE DE UM CONDUTOR

Capacidade de um condutor

Suponhamos um condutor isolado de qualquer outro condutor. Se ele for carregado sucessivamente com diversas cargas, à cada carga diferente ele atingirá um potencial diferente. Sejam , os potenciais que ele adquire respectivamente com as cargas . A experiência mostra que se ele estiver isolado, o quociente de cada carga pelo potencial correspondente é constante A constante C é chamada capacidade do condutor. Por definição, capacidade do condutor é o quociente de sua carga pelo seu potencial, quando ele está isolado. Temos, então: ou O fato de C ser constante indica que os potenciais que um condutor isolado adquire são diretamente proporcionais às suas cargas. A condição de ele estar isolado é necessária, porque, se estiver em presença de outros condutores eletrizados, o fenômeno de indução modificará o seu potencial (tópico "Variação do Potencial de um Condutor sob Influência de Outro Corpo Eletrizado") e a relação dada acima não subsistirá mais. A capacidade do condutor depende de sua forma geométrica, de suas dimensões e do meio no qual está colocado. Nota: Em Eletrostática, quando dizemos que um condutor está isolado queremos dizer que não está em contato com outros e que está muito afastado de outros condutores, de maneira que não possa sofrer indução. Exemplo – Capacidade de uma esfera Uma esfera isolada de raio R e carga Q, adquire o potencial A capacidade será: ou Esse exemplo mostra duas coisas: a) que a capacidade depende do meio em que o condutor se encontra, pois é diretamente proporcional à constante dielétrica ; b) sendo o raio constante para uma dada esfera, ele mostra que a capacidade de uma esfera é constante, num determinado meio. Supondo-se uma esfera no vácuo e as unidades do sistema CGSES, então e resulta: A capacidade de uma esfera isolada no vácuo é igual ao seu raio, quando se usa o sistema CGSES.

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A Formação das Descargas Atmosféricas

Eletrificação das tempestades

As tempestades são caracterizadas por nuvens frias, a presença de descargas atmosféricas na atmosfera, é uma conseqüência da separação localizada de cargas elétricas dentro das nuvens. Durante a formação de uma nuvem, enquanto a água estiver na fase líquida, podemos caracterizar a nuvem como “nuvem quente”. Por outro lado, se cristais de gelo estão envolvidos no processo de formação da precipitação, a nuvem é caracterizado como “nuvem fria”, independentemente de qual seja a sua temperatura ao atingir o solo. Uma nuvem de tempestade inicia-se com a elevação de uma parcela de ar quente e úmido, seja por correntes ascendentes (advecção, efeitos orográficos, efeitos dinâmicos ou convecção térmica) ou por agentes forçantes (montanhas, frentes frias, etc.). Enquanto sobe na atmosfera a parcela sofre expansão em decorrência da diminuição da pressão atmosférica com a altura e resfria-se por expansão adiabática.O resfriamento provoca uma diminuição da capacidade da parcela em reter o vapor de água e conseqüentemente ocorre um aumento da umidade relativa do ar, neste estágio o resfriamento pode causar saturação desta parcela e a condensação sobre núcleos apropriados, as quais são chamadas de núcleo de condensação (NC), estes núcleos de condensação são facilitados pela presença de hidrometeoros, que são partículas de água, líquidas ou sólidas, em queda ou em suspensão na atmosfera e que podem ser elevadas da superfície por ventos ou depositadas sobre objetos. O nível em que isto ocorre define-se como o nível de condensação por levantamento (NCL) e a partir deste nível, ocorre liberação de calor latente de condensação. A liberação de calor latente tende a diminuir a taxa de resfriamento, embora a parcela continue a sofrer resfriamento adiabático (PRUPPACHER, 1978).Se a atmosfera for absolutamente instável, a parcela pode continuar a desenvolver-se verticalmente e ultrapassar a altitude onde a temperatura está abaixo do nível de congelamento (isoterma de 0 oC), neste nível há a formação de cristais de gelo, que ainda coexistem com as gotículas de água. O crescimento dos cristais de gelo no interior da nuvem pode ser dado por deposição direta de vapor, após isto é possível o crescimento por sucessivas colisões, no entanto em algumas nuvens o processo de crescimento ocorre também por agregação e acreção.

CARREGAMENTO DAS TEMPESTADES

A transferência de carga descrita nestas hipóteses é explicada nos instantes iniciais da formação da estrutura elétrica da nuvem, e ocorre através das colisões de partículas de diferentes tamanhos em instantes posteriores a formação da nuvem, a presença ou não de um campo elétrico, de dentro de uma nuvem de tempestade pode chegar á ~120 kV/m, possibilita a polarização dos hidrometeoros pelos mecanismos de carregamento que podem ser: mecanismos indutivos mecanismos não-indutivos, mecanismo de captura de íons e mecanismo indutivo de partícula-partícula. Dos mecanismos que melhor explicam a transferência de cargas, há uma preferência pelo processo não–indutivo, devido à possibilidade de se desprezar a existência prévia de um campo elétrico. Em tempestades a concentração de íons é insuficiente para que ocorra uma captura seletiva de íons, desta forma o mecanismo de captura seletiva de íons descreve de maneira parcial o desenvolvimento do campo elétrico dentro de uma nuvem de tempestade. Para prevalecer o mecanismo indutivo é condição necessária que as partículas que colidem se separem e o tempo de contato entre estas deve ser suficientemente longo para que ocorra transferência de cargas.

OS PROCESSOS DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA

Um relâmpago nuvem-solo inicia-se através da quebra de rigidez dielétrica do ar dentro da nuvem. A presença da condutividade e de cargas na superfície da Terra infere um campo elétrico de tempo bom, em geral orientado em direção ao solo. Nos continentes a média do campo elétrico é cerca de 120 V/m, contudo assumindo um aumento exponencial da condutividade elétrica da superfície com a altitude, o campo elétrico decresce na mesma proporção, (no entanto, próximo ao solo o campo elétrico apresenta variações atribuídas aos movimentos das cargas além das variações diurnas e sazonais), assim uma descarga atmosférica é causada por um intenso campo elétrico dentro da nuvem (entre 100-400 kV/m) que excede o campo local (~120 V/m) permitindo a quebra de rigidez . O processo de quebra de rigidez tem uma duração média de 100 milissegundos. Este processo estabelece as condições para que as cargas sejam levadas rumo ao solo pelo Líder Escalonado ou Stepped Leader .Sobre a influência do campo elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo (assumindo um direcionamento para o solo do campo elétrico e uma descarga negativa), as cargas negativas então movem-se aleatoriamente em etapas parando repetidas vezes no ar, em intervalos de alguns metros (~50m), em direção ao solo. Ao longo do caminho, algumas cargas seguem outros rumos devido à influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo com velocidade média de cerca de 100 km/s produzindo uma fraca luminosidade em uma região com diâmetro entre 1 e 10 metros ao longo do qual a carga é depositada. Quando o canal do líder escalonado aproxima-se do solo, a carga elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, fazendo com que ocorra uma descarga positiva ascendente denominada Descarga Conectante ou Upward Leader .

Quando um dos líderes conectantes encontra o líder escalonado, o canal do relâmpago está formado, ocorre o chamado “Attachment”. E ocorre a Descarga de Retorno ou Return Stroke . Frequentemente os processos de lideres e descargas repetem-se no mesmo canal ionizado em diferentes intervalos. O Líder Subseqüente ou Dart Leader move-se pelo mesmo canal como o líder escalonado original que em geral não possui ramificações. Devido à resistência elétrica do canal agora ser baixa, o líder contínuo descende rapidamente e quando se aproxima do solo, normalmente ocorre uma descarga de retorno para a nuvem.Ocasionalmente, o flash é uma referência utilizada para descrever às várias descargas no sentido do conjunto de correntes de retorno “Descargas Subseqüentes ou Dart Leader” envolvidas após o fechamento do canal.Durante este processo campos elétricos e magnéticos sofrem variações no tempo e no espaço, desta forma as descargas atmosféricas produzem sinais eletromagnéticos conhecidos, no espectro de rádio, como Radio Atmospherics – Sferics, sendo a maior parte da energia irradiada presente no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF). Este espectro eletromagnético consegue se propagar a longas distâncias pelo guia de onda formada pela baixa Ionosfera e a superfície da Terra Desde 1920 até 1960 a parte da atmosfera com grande concentração de elétrons livres e íons, mais tarde conhecida com ionosfera, propôs a base para as explorações por ondas de rádio. Mais de 20 anos depois das formulações das equações de Maxwell em 1860, Hertz comprovou a propagação de ondas eletromagnéticas (ORSINI, 1950).Sferics são pulsos de curta duração (entre 1 – 10 ms) com campos elétricos verticais provenientes de descargas atmosféricas. O significado espectral da forma de onda pode ser usado para estudos a respeito da propagação de ondas de rádio pelo guia de onda formado pela superfície da Terra e a baixa ionosfera (TAYLOR, 1960). O pulso eletromagnético gerado por uma descarga atmosférica está situado numa banda larga do espectro eletromagnético, contudo, a maior parte da energia irradiada encontra-se no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF), estas energias se propagam livremente pelo guia de onda formado pela baixa ionosfera e a superfície terrestre.

Os hidrometeoros admitem composições associadas à determinada quantidade de água e possuem polaridade de carga devida estar ou não na presença de um campo elétrico . As cargas são separadas pelo processo indutivo durante a colisão de partículas de diferentes polarizações e tamanhos inseridos num campo elétrico inicial. A colisão entre partículas de diferentes tamanhos, possibilita uma aquisição maior de cargas (-), por partículas maiores que migram para a base da nuvem. As limitações para ste tipo de transferência residem num tempo adequado de contato para que ocorra a efetiva transferência de cargas bem como a dependência do ângulo de contato e magnitude de polarização pelo campo elétrico. Neste processo não há a necessidade de um campo elétrico. Quando uma quantidade igual de íons positivos e negativos está presente, pode ocorrer uma polarização preferencial nas gotículas, este ficou conhecido como efeito Wilson. A transferência de cargas neste mecanismo é marcada pelo grau de polarização das partículas cuja indução de cargas nos hidrometeoros é modificada durante a aproximação de outro hidrometeoro.

POTENCIAL ELÉTRICO

Potencial Elétrico

Imagine um campo elétrico gerado por uma carga Q, ao ser colocada um carga de prova q em seu espaço de atuação podemos perceber que, conforme a combinação de sinais entre as duas cargas, esta carga q, será atraída ou repelida, adquirindo movimento, e conseqüentemente Energia Cinética.

Lembrando da energia cinética estudada em mecânica, sabemos que para que um corpo adquira energia cinética é necessário que haja uma energia potencial armazenada de alguma forma. Quando esta energia está ligada à atuação de um campo elétrico, é chamada Energia Potencial Elétrica ou Eletrostática, simbolizada por .

A unidade usada para a é o joule (J).

Pode-se dizer que a carga geradora produz um campo elétrico que pode ser descrito por uma grandeza chamada Potencial Elétrico (ou eletrostático).

De forma análoga ao Campo Elétrico, o potencial pode ser descrito como o quociente entre a energia potencial elétrica e a carga de prova q. Ou seja:

Logo:

A unidade adotada, no SI para o potencial elétrico é o volt (V), em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, e a unidade designa Joule por coulomb (J/C).

Quando existe mais de uma partícula eletrizada gerando campos elétricos, em um ponto P que está sujeito a todas estes campos, o potencial elétrico é igual à soma de todos os potenciais criados por cada carga, ou seja:

Uma maneira muito utilizada para se representar potenciais é através de equipotenciais, que são linhas ou superfícies perpendiculares às linhas de força, ou seja, linhas que representam um mesmo potencial.

Para o caso particular onde o campo é gerado por apenas uma carga, estas linhas equipotenciais serão circunferências, já que o valor do potencial diminui uniformemente em função do aumento da distância (levando-se em conta uma representação em duas dimensões, pois caso a representação fosse tridimensional, os equipotenciais seriam representados por esferas ocas, o que constitui o chamado efeito casca de cebola, onde quanto mais interna for a casca, maior seu potencial).

Lei de Coulomb

Forças elétricas 1 — Lei de Coulomb
(Método estático - caso das repulsões)

Influência da eletrização - Noção de carga elétrica
A 'eletrização' que pode ser obtida e exibida por certos corpos é um fato experimental incontestável. Avalia-se a eletrização de um corpo pelas ações mecânicas que ele desperta sobre outro corpo também eletrizado.
Diremos, pois, que dois corpos idênticos A e A’, de dimensões muito reduzidas, estão igualmente eletrizados (também se diz 'carregados') quando possuem quantidades de cargas elétricas iguais. Essa igualdade de quantidade de carga de A e A' se constata verificando se aplicam a mesma ação elétrica (força) sobre um terceiro corpo muito pequeno B, também eletrizado, colocado separadamente, à mesma distância (r) de A e de A'. Do mesmo modo se verificará que a quantidade de carga de A é 'n' vezes maior que a de A', se a ação elétrica de A sobre B for 'n' vezes maior que aquela de A' sobre B, sempre mantendo a mesma distância (r) entre os corpos.

Forças elétricas
Assim, as experiências fundamentais da eletrostática estabelecem que dois corpos eletrizados com cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e que dois corpos eletrizados com cargas de sinais contrários se atraem; mostram ainda que as intensidades dessas forças de atração ou de repulsão variam com a quantidade de carga de cada corpo e com a distâncias que os separa.

Consideremos, pois, duas cargas elétricas puntiformes q e q', que suporemos de mesmo sinal e colocadas em dois pontos A e A' separados pela distância r.

Constata-se que: q' aplica sobre q uma força repulsiva f proporcional a q'; q aplica sobre q' uma força repulsiva f', proporcional a q. Em virtude do princípio da igualdade da ação e reação, essas duas forças devem ter intensidades iguais e serem diretamente opostas; vale dizer, têm a mesma linha de ação AA' e a mesma intensidade proporcional a q e q', de sorte que se pode escrever:

| f | = | f' | = f = qq' x j(r)

Influência da distância - Lei de Coulomb
Coulomb estabeleceu experimentalmente, em 1785, a seguinte lei, versando sobre o modo como varia a intensidade da força elétrica que se manifesta entre duas cargas elétricas, quando se faz variar a distância entre elas. Essa lei se enuncia:

A intensidade da força repulsiva ou atrativa que uma carga elétrica aplica sobre outra é inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Formalmente: f = constante x qq'/r² .

Como eram muito reduzidas as intensidades das forças trabalhadas por Coulomb, para estabelecer a lei do inverso do quadrado da distância, suas medições foram realizadas mediante dois métodos particularmente sensíveis:
--- um método estático, o da balança de torção, que Coulomb aplicou especialmente ao estudo das forças repulsivas;
--- um método dinâmico, o do pêndulo elétrico, que Coulomb empregou no estudo das forças atrativas.

Balança de torção - Descrição
A balança de torção permite equilibrar a força repulsiva que se manifesta entre duas "bolas de sabugueiro" pela torção de um fio de prata.
Compõe-se o aparelho de uma caixa cilíndrica de vidro, que repousa sobre um prato sustentado, por sua vez, por parafusos niveladores. A caixa pode ser fechada em sua parte superior por um prato de vidro, no centro do qual se fixou um tubo de vidro T e que apresenta, perto da borda, uma abertura que permite introduzir na caixa uma 'bola de sabugueiro A, suspensa numa haste isolante. A parte superior do tubo T possui uma guarnição metálica, na qual pode girar um cilindro graduado M, que constitui o micrômetro de torção.

Nesse cilindro pode igualmente girar, com reduzido atrito, um segundo cilindro C de eixo idêntico, munido de um índice I e de uma pinça na qual se acha fixada a parte superior do fio de torção F. A parte inferior do fio de torção está apertada numa segunda pinça que suporta uma agulha isolante horizontal, terminada numa das extremidades por uma pequena 'bola de sabugueiro' B, e na outra extremidade por um pequeno plano de papel B’, impregnado de essência de terebentina, servindo de contrapeso à bola B e amortecendo as oscilações da agulha.
Esta pode girar diante de uma graduação de 0 a 360^o, inscrita em uma fita de papel colada na caixa de vidro: pode-se, assim, medir o ângulo produzido com a torção do fio F, quando as bolas A e B recebem eletrizações do mesmo sinal e se afastam.

Leis da torção
Quando a equipagem móvel (CFBB') é abandonada a si própria, a agulha horizontal suspensa no fio F se orienta numa direção bem determinada. Se a afastarmos de sua posição de equilíbrio num ângulo q, o fio de suspensão sofre uma torção, e as reações elásticas de restituição desenvolvidas no fio por essa deformação tendem a reconduzir a agulha para sua posição de equilíbrio. A experiência (resistência dos materiais) mostra que, para mantê-la na direção que forma ângulo q com a posição de equilíbrio, devemos aplicar um par, de momento C.q, proporcional ao ângulo de torção q. As reações elásticas originadas pela torção do fio e que equilibram esse par são, pois, também equivalentes a um par, de momento C.q.

C.q denomina-se par de torção (ou, conjugado de torção); C é a 'constante de torção' característica do fio, que depende de seu comprimento L, de seu diâmetro d e de sua natureza. Coulomb, que estabeleceu as leis da torção antes da lei elementar das ações elétricas, mostrou que se podia escrever:

C = k.d⁴/L

onde k é um coeficiente que depende da natureza do fio.
Com fios de natureza conveniente, suficientemente longos e finos, as reações de restituição elásticas desenvolvidas pela torção podem tornar-se suficientemente fracas para equilibrar forças de intensidade muito pequena; a torção permite, assim, medir forças de intensidades extremamente reduzidas.

Descrição das experiências com a balança de torção
Para verificar a lei elementar das ações elétricas, convém regular preliminarmente a balança. Para esse fim, gira-se o botão C de maneira que faça o índice I coincidir com o zero do micrômetro; gira-se em seguida o micrômetro na guarnição metálica do tubo T, de maneira que ponha a bola móvel B em contacto com a esfera fixa A; gira-se finalmente o disco de vidro que fecha a caixa, até que o sistema das duas esferas em contacto fique diante do zero da caixa.

Tocam-se, então, as duas esferas A e B, com uma pequena esfera eletrizada; ambas adquirem eletrizações do mesmo sinal, e a bola B é repelida pela esfera fixa A, à distância angular a; Coulomb achou a = 36^o. Gira-se em seguida o índice I de um ângulo b, num sentido tal que a torção seja aumentada e B se aproxime de A. Quando as distâncias das duas esferas se tornam a/2, a torção do fio é b + a/2 .

Coulomb achou b + a/2 = 144^o = 36^o x 4, isto conduz a, b = 144^o - a/2 = 144^o - 18^o = 126^o.

Gira-se finalmente I do ângulo b' a partir de sua posição inicial, de maneira que a distância angular das duas esferas se torne igual a a/4.
Coulomb constatou que a torção total era muito aproximada de 36^o x 16 = 576^o (de acordo com o original de Coulomb, 575^o 30' em vez de 576^o), o que dá b' = 576^o - 9^o = 567^o .

Como o par de torção que equilibra a força elétrica é proporcional ao ângulo de torção, a força elétrica é também proporcional a esse ângulo. Pode-se, portanto, armar o seguinte quadro de distâncias versus forças:

Distâncias	36o	18o	9o
Forças	36o	144o=36ox4	576o=36ox16

Quando a distância se torna 2, depois 4 vezes menor, a intensidade da força se torna 4, e em seguida 16 vezes maior, o que verifica a lei.

Cálculo exato da experiência
Na realidade, o afastamento das duas esferas não é medido por sua distância angular, e o braço de alavanca, na extremidade da qual se exerce a força elétrica, não é o semicomprimento da haste que suporta a esfera B, como implicitamente o supusemos.

Representemos em projeção horizontal a esfera fixa A, a alavanca móvel e a esfera B, o fio de torção e o índice I.

isto é, o ângulo de torção varia na razão inversa do quadrado da distância angular entre as duas bolas. Ora, é precisamente isso que resulta das experiências de Coulomb.

Aplicação da torção à medida de intensidades de forças
Como observamos acima

a qual, com os dados experimentais, permite obter intensidade de força.

Suponhamos esses dados: a + b = 1 radiano; l.cos(a/2) = 10 cm; L = 50 cm; d = 0,1 mm = 0,02 cm; mantendo-me no sistema CGS, encontrei para a prata (fio de prata) k = 2,7.10¹⁰ uCGS. Obteremos, ainda no CGS, F = 0,54 dinas [se preferir esse resultado em 'newtons', basta lembrar que 1 dina = 10^-5 N, logo, F = 0,54.10^-5 N].
Se o fio tivesse um diâmetro 10 vezes menor (0,01 mm = 10 µm), o mesmo ângulo de torção de 1 radiano corresponderia a uma força 10 000 vezes menor. A intensidade de força posta em jogo na primeira experiência de Coulomb não ultrapassava 0,02 dina; e utilizando-se fios de quartzo em vez de fios de prata, conseguiu-se medir intensidades de forças de 10^-8 dinas (10^-3 N).
Vê-se, assim, a extrema sensibilidade do método do dinamômetro de torção, que permite medir intensidades de forças de origens bem diversas: elétricas, magnéticas, de gravitação, de pressão, de radiação, etc.