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E studos de eletricidade(Parte 8) Prof.
Luiz Ferraz Netto Campos
elétricos Nosso conceito
moderno de campo elétrico foi desenvolvido por Michael
Faraday em 1837. Ele vinha estudando a decomposição das soluções
químicas colocadas entre dois elétrodos ligados a uma fonte de tensão
elétrica. Começou a imaginar se alguma coisa aconteceria se ele
colocasse isolantes sólidos entre os dois elétrodos de placa, em vez de
um eletrólito condutor.
Faraday sabia que a quantidade de carga elétrica que pode ser colocada nas placas dos dois capacitores (ilustração acima) é bastante diferente. Se ambas as tensões forem iguais, o mesmo acontecendo com as áreas das placas e as distâncias entre elas, a quantidade de carga que entra nas placas depende da natureza do isolante elétrico. Suponhamos que uma quantidade de carga Q entra nas placas do primeiro capacitor, sendo + Q na placa superior, e - Q na placa inferior. Faraday sabia que uma quantidade maior de carga, + kQ e - kQ entraria nas placas do segundo capacitor. A letra k representa um número qualquer, como dois ou sete. Ela nos diz que a adição de uma substância isolante entre as placas aumenta a carga por um fator k. Para qualquer
isolador em particular, a carga tem uma magnitude k vezes a
magnitude que teria, se o espaço entre as placas estivesse vazio (vácuo).
Assim, k é uma medida da influência do isolador sobre as
propriedades eletrostáticas do capacitor. Faraday chamou a isto de
"capacidade indutiva especifica" do isolador; o termo moderno
correspondente é constante dielétrica de um material.
Similarmente, o isolador colocado entre as placas --- através do qual
agem as forças eletrostáticas --- é chamado de dielétrico.
Linhas
de força elétricas
Somente umas poucas linhas estão traçadas no diagrama acima, mas todo o espaço deve ser considerado como repleto de tais linhas de força. As setas sobre as linhas de força indicam que uma carga positiva é repelida pela esfera carregada positivamente. O diagrama (b) ilustra as linhas de força entre duas esferas carregadas com cargas de sinais opostos. Uma vez mais, uma pequena carga positiva seguiria uma trajetória reta indicada pela linha de força horizontal. O diagrama (c) apresenta as linhas de força entre duas placas paralelas de um capacitor, no qual é mantida uma tensão elétrica fixa. Cada linha de força pode ser considerada como originando-se em uma carga positiva unitária e terminando em uma carga negativa unitária. Também a intensidade do campo magnético entre as placas depende do número de linhas de força existentes entre as placas. Faraday
introduziu então a idéia de carga elétrica induzida em um dielétrico.
Considerou um dielétrico como consistindo de um grande número de
"pequenos condutores isolados". Nós os chamaríamos de moléculas.
Cada uma dessas moléculas está inicialmente 'descarregada'. Elas contêm
a mesma quantidade de carga positiva e negativa, e são eletricamente
neutras. As cargas são fixas nas moléculas, e não podem ser
transferidas de uma para outra (como no caso de condutores metálicos),
mas podem ser deslocadas ligeiramente dentro das moléculas.
As cargas elétricas
das placas produzem um campo elétrico (eletrostático) na região situada
entre as placas. Cada molécula é eletricamente polarizada pelo campo elétrico,
ficando com iguais cargas elétricas positivas e negativas induzidas nas
extremidades opostas. A
relação entre os campos elétrico e magnético Uma revisão de nossos conhecimentos sobre eletricidade e magnetismo revela uma importante relação entre os campos elétrico e magnético. Uma corrente elétrica é meramente um movimento ordenado de cargas elétricas. Estas (as cargas) têm, cada uma, um campo elétrico associado com ela. Uma "corrente de cargas", portanto, carrega com ela um campo elétrico móvel. Mas Oersted provou que uma "corrente de cargas elétricas" produz um campo magnético. Devemos concluir, portanto, que um campo elétrico móvel dá origem a um campo magnético. Imaginemos agora um ímã deslocando-se ao lado de um condutor como um pedaço de fio de cobre. O campo magnético móvel induz uma força eletromotriz no fio. Isto significa que uma extremidade do fio obtém uma carga positiva, e o outro, uma carga negativa. Mas essas cargas produzem um campo elétrico. Portanto, um campo elétrico móvel dá origem a um campo elétrico. Como veremos, Maxwell incorporou mais tarde essas idéias gerais em sua teoria eletromagnética --- uma teoria que ligou a eletricidade com a luz e previu também a existência das ondas de rádio. A
rotação de Faraday
Para ilustrar,
suponhamos que a luz que penetra no vidro seja polarizada assim //// - as
vibrações de luz ocorrendo somente na direção (/); a que passa através
do vidro torna-se polarizada assim = e que a luz que emerge do
vidro estaria então vibrando em um plano diferente, assim \\\\ - fazendo
um ângulo com o plano horizontal. O efeito de Faraday demonstrou a íntima relação entre as ondas de luz e o eletromagnetismo. Sabemos hoje que o efeito é causado por pequeninas correntes elétricas dentro de átomos individuais. Quando colocadas em um forte campo magnético, essas correntes são ligeiramente modificadas dentro do átomo. Mais tarde, foi demonstrado que essas modificações produzem a rotação do plano de polarização, observada por Faraday. Energia
elétrica A conexão entre a eletricidade e outras formas de energia foi esclarecida por James Prescot Joule. Ele sabia que o calor e o trabalho mecânico eram meramente duas formas diferentes de energia. Em 1843, provou que a eletricidade também era uma forma de energia, conversível nas outras formas em uma proporção de troca bem definida. Joule passou uma corrente de intensidade conhecida por um fio e mediu a quantidade de calor produzida pelo fio na unidade de tempo. A quantidade de energia calorífica por unidade de tempo foi proporcional à resistência do fio multiplicada pelo quadrado da intensidade da corrente. Em unidades modernas, a energia térmica (antes, se dizia 'calorífica') é medida em joules, a corrente em ampères, e a resistência em ohms. Empregando estas unidades, a descoberta de Joule pode ser expressa como uma equação: Energia
térmica por unidade de tempo = Resistência x(Corrente )2 onde
o intervalo de tempo Dt
é medido em segundos. O lado esquerdo da equação E/Dt,
é definido como potência elétrica do fio resistor, ou seja, é a
razão (ou rapidez) com que nesse dispositivo a energia elétrica
é convertida em térmica. A potência é medida em unidades chamadas watt,
em homenagem a James Watt. P = R.I2 Para ilustrar o seu uso, suponhamos que uma corrente de intensidade 7 ampères passa através um elemento aquecedor de resistência de 10 ohms. A relação de Joule diz-nos que a energia elétrica é transformada em energia calorífica (térmica) nesse aquecedor, a uma razão de P = 10 x 72 = 490 watts. Utilizando sua nova descoberta, Joule pôde mostrar uma relação numérica entre a energia química de uma bateria, a energia elétrica de um circuito e a energia mecânica ou trabalho executado por um motor. Ele dissolveu um peso previamente medido de zinco em um ácido, e verificou que uma quantidade definida de calor foi despendida (Q1). Em seguida, fabricou uma pilha voltaica utilizando o mesmo peso de zinco, e descobriu que foi transmitida uma quantidade de calor consideravelmente menor para a pilha (Q2), quando o zinco se dissolveu. Ele enviou por um fio a corrente produzida pela pilha e mediu o calor produzido pelo fio (Q3). Demonstrou que essa quantidade de calor correspondia à diferença entre o calor produzido pela simples dissolução do zinco no ácido, e o que é produzido quando o zinco é dissolvido como um elemento de uma pilha voltaica (Q3 = Q1 - Q2). Ali estava uma prova evidente de que a energia elétrica de uma bateria provém da energia química contida em seus componentes. Joule também demonstrou que a energia elétrica é convertida em trabalho mecânico por um motor elétrico. Passou por um motor a corrente de uma bateria e verificou que a energia química despendida na bateria era igual à soma de duas quantidades: o aquecimento R.I2 dos fios condutores, e o trabalho mecânico executado pelo motor. Joule publicou
suas idéias revolucionárias em um documento histórico datado de 1843, On
the calorific effects of Magneto-Electricíty and on the mechanical value
of Heat. A energia passara a ser um denominador comum que unia a química, o calor, a mecânica, a eletricidade e o magnetismo. Como uma forma de energia, a eletricidade apresentava grandes promessas para o futuro. Ela podia ser gerada em grandes quantidades em usinas de força centrais, e transmitida por fios até os utilizadores. Uma vez ali, ela podia ser convertida em outras formas de energia, para realizar trabalhos específicos. Homens como Davy, Ohm, Faraday e Joule, tinham descoberto as leis básicas da eletricidade e do magnetismo. Agora, outros assumiam a tarefa de utilizar a eletricidade a serviço do homem.
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