menu_topo

Fale com o professor Lista geral do site Página inicial Envie a um amigo Autor

Estudos de eletricidade
(Parte
3)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Cargas induzidas
Por volta de 1753, John Canton (1718 -1772) descobriu um processo chamado “indução elétrica”. Seu aparelho e modo de operar é apresentado abaixo.

Um condutor eletricamente neutro foi isolado da terra para impedir o escoamento da 'eletricidade', durante as experiências (a). Uma haste carregada positivamente foi então colocada junto do condutor, e Canton descobriu que duas cargas opostas se desenvolveram, ou foram induzidas, conforme se mostra na parte (b) da ilustração. A carga induzida mais próxima da haste tinha sinal oposto ao da haste; a carga induzida mais afastada tinha o mesmo sinal da carga da haste. Claramente, a 'eletricidade' no condutor neutro tinha sido meramente induzida para deslocar-se e mudar de posição. Quando a haste foi removida, o condutor reverteu à sua condição inicial de descarregado (neutro).

Wilcke e seu colega Franz Aepinus (1724 -1802) repetiram a experiência de Canton, acrescentando um novo elemento. Ligaram o condutor momentaneamente à terra, enquanto a haste carregada estava em suas proximidades. Conforme se mostra na parte (c), a conexão com a terra permitiu que um fluxo de 'eletricidade' neutralizasse a carga induzida na extremidade do condutor oposta à haste. A conexão com a terra foi então removida, como aparece na parte (d). Finalmente, foi afastada a haste carregada. Como se vê na parte (e), o condutor tinha adquirido uma carga negativa, que veio a ser uniformemente distribuída sobre sua superfície. Esta carga induzida é sempre de sinal oposto ao da carga influenciadora.

Essa é a técnica da eletrização por indução: (a) - corpo neutro e isolado da terra (induzido); (b) - aproxima-se um outro corpo eletrizado (indutor), sem encostar; (c) - faz-se uma momentânea ligação do induzido à terra; (d) - afasta-se o indutor e (e) - o induzido torna-se eletrizada com carga de sinal oposto ao do indutor.

Aepinus também salientou que a diferença entre condutores e isoladores é simplesmente de grau. A diferença depende da resistência relativa oferecida por eles ao fluxo de 'eletricidade'. Os condutores oferecem muito pouca resistência, e os isoladores resistência apreciável. O conceito de resistência elétrica tornou-se mais tarde extremamente importante, devido à lei de Ohm.

A lei do inverso do quadrado da 'Eletricidade'
Acreditava-se geralmente, pelo fim do século dezoito, que a força de atração ou de repulsão elétrica reduz-se proporcionalmente ao quadrado da distância que separa as cargas. Priestley e Cavendish tinham inferido indiretamente a verdade da lei do inverso do quadrado, partindo de experiências que tinham realizado. Entretanto, Charles Coulomb (1736 -1806), engenheiro militar francês, foi o primeiro a deduzir a lei partindo de provas experimentais diretas, realizadas em 1784 e 1785.

Para provar a verdade da lei, ele mediu as forças insignificantes que atuam entre dois corpos carregados, à medida que suas distâncias de separação são variadas. Essas medidas foram feitas utilizando o princípio da balança de torção, que ele tinha descoberto anteriormente.
Imaginem uma barra horizontal suspensa por um fio ou arame bem fino, conforme ilustramos abaixo.


Balança de torção
de Coulomb

Se a barra for girada um tanto, o arame sofrerá uma torção e exercerá uma força restauradora tendendo a fazer a barra voltar à posição inicial.
Coulomb descobrira que a força restau- radora é proporcional ao ângulo através do qual a barra foi girada. Usando este princípio, Coulomb pôde medir forças extremamente pequenas, exercidas por pequenos corpos carregados.

 Como resultado de muitas experiências, ele concluiu que a força gerada pelos corpos carregados varia inversamente com o quadrado da distância que separa seus centros. Corpos carregados com 'eletricidades' opostas se atraem, e corpos carregados com 'eletricidades' semelhantes se repelem. A lei é análoga à lei do inverso do quadrado, da atração gravitacional. Coulomb verificou também uma descoberta de Cavendish, de que a carga elétrica se distribui sobre a superfície de um condutor, sem penetrar em seu interior. Os cientistas do tempo provaram matematicamente que isto era conseqüência inevitável da lei do inverso do quadrado, aplicada à 'eletricidade'.

Medindo a 'eletricidade'
A maior parte das descobertas referentes à 'eletricidade' estática ou estacionária foi feita com o auxílio de instrumentos extremamente toscos. Estes eram usados para detectar a presença e o sinal das cargas induzidas, para investigar a 'eletricidade' produzida pela fricção e a atmosférica, para padronizar as cargas dos vasos de Leyden, e assim por diante. Os primeiros instrumentos de medida eram simples eletroscópios, que não davam indicação da quantidade de 'eletricidade' envolvida. Apenas indicavam a presença de uma carga.

Os antigos eletroscópios eram fios ou fitas de metal que eram defletidos em presença de uma carga. Mais tarde, a descoberta de Du Fay referente à repulsão elétrica permitiu a fabricação de um instrumento melhor. Em 1753, John Canton utilizou um par de fios de linho de cerca de seis polegadas de comprimento, conforme se ilustra abaixo. Suspenso de cada fio, colocou uma bola de rolha do tamanho de uma ervilha.


Eletroscópio
Uma carga colocada nas bolas produz uma força
de repulsão
que as separa

Quando as bolas receberam uma carga, sua repulsão mútua fez com que elas se separassem. Cavendish utilizou um eletroscópio semelhante, mas acrescentou-lhe uma escala. Desta maneira, foi capaz de estimar a divergência das bolas e a quantidade relativa de carga que continham.

Em 1787, Abraham Bennet (1750 -1799) construiu um eletrômetro de folha de ouro, do tipo ainda hoje usado para ensino e demonstração. Conforme ilustramos a seguir, o eletrômetro usava duas tiras de folha de ouro encerradas em um cilindro de vidro de cerca de 5 polegadas de altura.


Eletrômetro de folha de ouro

As folhas eram conectadas eletricamente com uma tampa de metal, na extremidade superior do cilindro. Duas tiras de estanho laminado eram cimentadas nos lados do cilindro de vidro, na parte interior. Serviam para descarregar as folhas para a terra, quando uma carga excessiva as forçava a separar-se tanto que tocavam o estanho. A quantidade de carga do eletrômetro era medida comparando a separação das folhas com uma escala graduada (que não aparece no desenho), colocada no lado externo do cilindro.

'Eletricidade' dos metais
Os cientistas do século dezoito tinham aprendido a produzir 'eletricidade' por várias maneiras: por fricção (atrito), pelo aquecimento de certos cristais, retirando-a da atmosfera, e fazendo experiências com peixes elétricos. Muitíssimo mais importante que qualquer desses processos, era uma fonte de 'eletricidade' escondida nos “não-elétricos” de Gilbert, os metais. Esta fonte de 'eletricidade' em que não se acreditava, estava destinada a provocar uma revolução que se igualava à importância da Química para o homem.

Tudo começou com uma observação inesperada feita por volta de 1750 por J. G. Sulzer, professor alemão de Matemática. Sulzer colocou duas peças de metal diferente de encontro a sua língua, conforme se vê abaixo.


Experiência de Sulzer
com a eletricidade de
contato

 Quando os metais entraram em contato em A, tocando ao mesmo tempo a língua em B e C, ele sentiu um gosto estranho e pungente. Quando eles foram colocados separadamente na língua, nenhum efeito foi observado. Sulzer não relacionou sua observação com a 'eletricidade', e ela foi realmente esquecida durante um meio século.

A seguinte descoberta da “'eletricidade' por contato”, feita por acaso, não se perdeu para a Ciência. Aconteceu por volta de 1780, quando o professor italiano de anatomia Luigi Galvani (1737- 1798) observou as contrações da perna de uma rã. Esta, que tinha sido recentemente secionada, parecia estar em contato elétrico com o solo, perto de uma máquina elétrica. Galvani observou que a perna da rã entrava em convulsões, sempre que se dava uma descarga elétrica. Provou que esta resposta era de natureza elétrica, tocando o nervo central com o condutor primário da máquina, enquanto a perna estava ligada ao solo. Cada vez que o nervo era tocado, a perna dava um pulo.

Galvani verificou que a 'eletricidade' do vaso de Leyden e das tempestades produziam o mesmo efeito sobre os nervos dos animais. Decidiu então determinar se a 'eletricidade' atmosférica normal podia provocar as misteriosas convulsões. Foi esta experiência que levou à grande descoberta da 'eletricidade' por contato.

Galvani ligou a perna da rã a uma grade de ferro. Enfiou também alguns pinos de latão na medula espinhal, para atrair qualquer 'eletricidade' que o ar pudesse conter. Observou que as pernas apresentavam contrações ocasionais, mesmo com tempo bom, mas os resultados eram esporádicos e imprevisíveis. Finalmente, cansado de esperar, tocou por acaso a grade de ferro com um pino de latão, e a perna da rã entrou em convulsão. Cada vez que o latão e o ferro entravam em contato, a perna se contorcia e saltava!

Voltando ao laboratório, ele colocou a perna sobre uma placa de ferro, tocando-a com o pino de latão. Mais uma vez a perna saltou. Somente duas explicações eram possíveis. Ou os pulos eram provocados pela 'eletricidade' gerada pelo contato dos dois metais diferentes, latão e ferro, ou pela 'eletricidade' gerada no organismo. A despeito de sua experiência com a máquina elétrica, Galvani declarou que os saltos eram provocados pela 'eletricidade' animal. Ainda mais estranhamente, sua teoria recebeu aceitação geral. As rãs passaram a ser desmembradas em grande número, enquanto os cientistas repetiam suas interessantes experiências, mas somente um homem pensou na 'eletricidade' por contato - Alexandro Volta.

Volta repetiu a experiência de Sulzer com sua língua, bem como a de Galvani com as rãs. Por meio de grande número de experiências precisas, mostrou que os nervos eram estimulados por uma fonte externa de 'eletricidade'. Os próprios metais eram a fonte daquela 'eletricidade'. Galvani e Volta empenharam-se em violenta controvérsia científica sobre o assunto. O primeiro acabou deprimindo-se e morreu sem jamais compreender a magnitude de sua descoberta, mas a 'eletricidade' metálica ganhou a disputa contra a 'eletricidade' animal. Sua conquista tornou-se completa em 1800, com a invenção da pilha voltaica ou bateria elétrica, feita por Volta.

Uma célula voltaica simples é vista abaixo. Elétrodos de cobre (Cu) e zinco (Zn) são imersos em uma solução fraca de ácido sulfúrico, H2S04.


Pilha voltaica

Tal célula envia um fluxo contínuo ou corrente de 'eletricidade', através do fio que liga os dois elétrodos metálicos. O H2S04 dissocia-se em partículas eletricamente carregadas chamadas íons: o íon H+ e o íon SO4--.

H2SO4 ==> 2H+ + SO4--

Os íons H+ são depositados na placa de cobre, dando-lhe uma carga positiva. Na placa de zinco, alguns dos átomos de zinco se dissolvem para formar íons Zn++, deixando uma carga negativa na placa.

Zn  ==>  Zn++ + carga elétrica negativa sobre a placa de zinco

A carga negativa sobre a placa de zinco passa pelo fio indo para a placa positiva. Essa carga negativa une-se com os íons H+, formando gás hidrogênio.

carga negativa +  H+ ==>  gás hidrogênio

Os íons Zn++ e SO4-- permanecem em solução até que a água se evapore, quando se unem para formar sulfato de zinco, ZnSO4.

Zn++ + SO4--  ==> ZnSO4

A 'eletricidade' que percorre o circuito permite que tenham lugar as reações químicas. Se o fio for desligado de qualquer elétrodo, a carga negativa não poderá atingir o terminal de cobre, e as trocas químicas são efetivamente interrompidas. A pilha comum é então simplesmente um dispositivo que converte a energia contida nas substâncias químicas em um fluxo de 'eletricidade' através de um circuito externo, ou seja, em energia elétrica.
A grande importância da pilha voltaica reside em sua capacidade de produzir um fluxo contínuo de carga elétrica. Embora sua 'eletricidade' fosse muito mais fraca que a do vaso de Leyden, ela tinha a grande vantagem de não precisar ser carregada repetidamente com 'eletricidade' proveniente do exterior. Sua 'eletricidade' surgia espontaneamente, sempre que necessária.

*** Segue Estudos de eletricidade (parte 4) ***

 


Copyright © Luiz Ferraz Netto - 2000-2011 ® - Web Máster: Todos os Direitos Reservados

Nova pagina 1