CARGAS E CAMPOS ELÉTRICOS.

Cargas e campos.

Na natureza não existem processo de geração espontânea a partir do nada, nem processos que terminem em nada, ou seja, o que há são TRANSFORMAÇÕES. Dessa forma, gerar energia elétrica é, na verdade, transformar outra forma de energia (química, mecânica, térmica, ...) em energia elétrica. Isso precisa estar bem claro: estudaremos processos de transformação de uma forma de energia em outra.

Outro ponto importante a destacar é a dimensão das coisas que estudaremos para entender como se dá o processo de geração da energia elétrica. Atualmente aceitamos que todos os fenômenos elétricos estão relacionados com um mundo atômico que não podemos visualizar. Podemos somente sentir e observar seus efeitos. Para tanto, é necessário compreender um pouco melhor a estrutura atômica. A Química costuma nos mostrar um pouco disso que falamos, ou seja, um mundo composto por átomos, com seus núcleos e eletrosfera. No núcleo encontramos PRÓTONS e NÊUTRONS. Na eletrosfera estão os ELÉTRONS, responsáveis pelos fenômenos elétricos. A história dos modelos que a ciência construiu para o átomos será discutida a parte, em outro momento. Para nosso entendimento inicial, consideramos o átomo e esses três componentes, não sendo necessário ir muito além desse modelo clássico. Vale lembrar que muito já se avançou nesse campo. Você pode conferir um pouco desses avanços no Pôster de Partículas Fundamentais.

Modelo Atômico - A massa de um próton é aproximadamente 2.000 vezes maior que a do elétron

Uma das principais conclusões acerca dos fenômenos elétricos é que eles estão relacionados com MOVIMENTOS RESULTANTES, EM UM ÚNICO SENTIDO, DAS CARGAS ELÉTRICAS. Convencionalmemnte, os prótons possuem carga elétrica POSITIVA e elétrons carga NEGATIVA. Como o próprio nome diz, os nêutros são eletricamente neutros. Como os prótons estão presos ao núcleo, quem se desloca no interior dos materias que conduzem eletricidade são os elétrons.

O QUE É NECESSÁRIO PARA QUE HAJA O MOVIMENTO DE ALGO QUE ESTÁ, INICIALMENTE, PARADO?

Pense em uma bola de gude parada em cima de uma mesa. Para colocá-la em movimento podemos dar um peteleco, sobrar, bater com uma régua, etc... Essas ações colocariam a bola em movimento. Estaríamos aplicando uma força sobre a bola. De que outra forma poderíamos, sem tocar na bola de gude, fazê-la se movimentar? Poderíamos levantar um dos cantos da mesa, tornando a superfície um plano inclinado. A bola sofreria a ação da gravidade e se movimentaria.

Se a explicação para os efeitos elétricos está no movimento das cargas negativas (elétrons), o que os faz se movimentar? Existe alguma força que os empurra? Vamos tentar entender...

FORÇAS DA NATUREZA

A Ciência admite a existência de quatro forças ou interações fundamentais na natureza:

- FORÇA FORTE: responsável por manter o núcleo coeso (unido). Pense em monte de cargas positivas juntas. Sabendo que cargas iguais se repelem, deve haver algo muito intenso para mantê-los todos juntos, pois as distâncias que se encontram são muito, mas muito pequenas mesmo. Essa força atua nos nucleons (prótons e nêutrons). Se divide em fundamental e residual.

- FORÇA FRACA: a maioria dos núcleos conhecidos pela ciência não são estáveis. Isso quer dizer que eles se transformam em outros núcleos, emitindo energia, num processo conhecido como decaimento radioativo. Alguns tipos de decaimento não comportam explicação através da força nuclear forte, devendo haver outra força em jogo. Essa força, de menor intensidade mas com tempo de duração maior, foi chamada de força FRACA, atuando sobre as partículas resultates do decaimentos, que podem ser elétrons e pósitrons (elétrons com carga positiva).

- FORÇA ELETROMAGNÉTICA - força responsável por manter os elétrons rodopiando ao redor do núcleo, entre outras atribuições. Ela aparece sempre que houver alguma partícula eletricamente carregada. É menos intensa que as forças forte e fraca, mas alcança distância bem maiores. Muitos dos fenômenos que observamos, como por exemplo o atrito, são resultado da atuação da força eletromagnética. Há uma tendência de que as forças fraca e eletromagnética sejam unificadas em torno de uma força chamada ELETROFRACA, mas isso ainda não está plenamente estabelecido.

- FORÇA GRAVITACIONAL: força que nos mantém grudados ao chão, atuando sobre qualquer coisa que possua massa. Ela atua sobre os núcleos, sobre os eleétrons e tudo mais, porém se comparada com as outras três forças se precebe que sua intensidade é muito menor. Até hoje a física busca uma explicação para a existência da gravidade. O próprio Einstein postulou que a gravidade é resultado da curvatura do espaço, mas não conseguiu avançar muito além disso. Hoje em dia há grandes esforços no sentido de evidenciar a presença dos GRÁVITONS, que seriam partículas responsáveis pelo aparecimento da força gravitacional.

O Santo Graal da Física é a unificação de todas as forças. Algumas teorias em desenvolvimento prevêem que deva existir uma lei única, que comporte as quatro forças, explicando o universo como um todo. Essa busca é um dos motores da Física atual.

OS ELÉTRONS E A FORÇA ELETROMAGNÉTICA

Onde houver uma carga elétrica haverá a força eletromagnética. Essa força será melhor entendida em termos de um conceito recente da Física: o conceito de CAMPO. Nesse momento podemos diferenciar o campo gerado por uma carga elétrica (campo elétrico) do campo gerado por um ímã (campo magnético), apesar dos dois serem originados pela força eletromagnética.

Supondo um espaço inicialmente vazio, livre de qualquer influência elétrica. Se lá for colocada uma carga elétrica, cada ponto deste espaço assumirá características que antes não dispunha. O espaço deixa de ser “neutro”. Pode-se, então, afirmar que a carga perturbou o espaço e esta perturbação trouxe consigo novas propriedades a cada ponto do espaço. Esta “atmosfera elétrica” é o campo elétrico. Ainda mais interessante: o campo independe da existência de outras cargas por perto. Porém, na Física um campo só é definido quando se pode atribuir um valor numérico à sua intensidade em cada ponto. Para medir essa intensidade seria preciso uma segunda carga que sofreria a ação do campo, cuja força impressa poderia ser então quantificada. O campo assumiria, e cumpriria, sua função de transmissão da interação entre as duas cargas.

Assim como a força da gravidade, a força eletromagnética atua à distância. Isso significa que não há necessidade de contato direto. Quando algo entra no campo de ação, sofre a força. Esse campo é invisível para nós, mas podemos detectá-lo.

ALGUMAS CARATERÍSTCAS DOS CAMPOS GERADOS POR CARGAS ELÉTRICAS

- A intensidade do campo depende da distância: se colocarmos uma carga de prova em um determinado ponto do campo poderemos medir a intensidade da força que atua sobre as cargas. Essa intensidade varia com a distância da carga de prova em relação à carga central, da seguinte forma:

Utilizando a Lei de Coulomb, temos:

Então:

E = Intensidade do Campo Elétrico

F = Força

q1 = carga central e q2= carga de prova

r = distância entre as cargas

- Possui caráter VETORIAL: o campo pode ter uma medida de intensidade, um número. Porém, esse valor não retrata completamente como é o campo em determinada região. São necessárias mais algumas informações, como por exemplo para onde esse campo está exercendo sua força. O caráter vetorial do campo se justifica: é necessária a intensidade, a direção e o sentido de atuação. Esse campo pode ser representado por linhas de força. Cabe ressaltar que existem linhas de força em todo o espaço onde o campo atua. A representação abaixo mostra apenas algumas dessas linhas.

Sentido convencional do campo elétrico - linhas de força emergem das cargas positivas e submergem nas cargas negativas...