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Estudos de eletricidade
(Parte 8)

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

Campos elétricos
A idéia de um campo de 'força' elétrico existente em torno de uma carga elétrica desenvolveu-se gradualmente através dos anos. Sabia-se perfeitamente, no tempo de Franklin, por exemplo, que um campo elétrico pode exercer forças de atração ou de repulsão sobre corpos carregados que estejam nas proximidades. Mas, exatamente como nos campos magnéticos, o mecanismo pelo qual era exercida a força elétrica ainda não tinha sido descoberto. Pensava-se, a princípio, que alguma coisa --- talvez "emanações elétricas" --- emergisse dos corpos carregados para exercer a "força misteriosa". Mas, experiências após experiências, provaram que as forças elétricas podiam ser exercidas através dos melhores isolantes --- vidro, ar seco, enxofre --- isolantes que bloqueavam efetivamente o movimento da carga. Franklin mostrou, também, que o campo elétrico nas vizinhanças de um corpo carregado não é removido quando o ar adjacente é retirado. Tais observações forçaram Franklin e seus contemporâneos a abandonar a idéia das "emanações elétricas" como agente produtor da força. Nenhuma explicação mecânica satisfatória dos campos elétricos e magnéticos jamais tinha sido imaginada para substitui-la.

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.
O diagrama, a seguir, mostra duas placas ligadas a uma bateria. Na primeira ilustração, o espaço entre as placas está cheio de ar, e na segunda ilustração, com um material isolante, tal como o vidro. Ambos são ilustrações de capacitores, idênticos em princípio, ao frasco de Leyden.


Um capacitor pode aceitar uma carga maior, da mesma bate-
ria, quando o ar entre as placas for substituído por um isola-
dor sólido (vidro, mica etc.)

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.
As constantes dielétricas de alguns dielétricos são as dadas abaixo:

Dielétrico Constante
dielétrica
vácuo
ar
papel
parafina
borracha
vidro
mica
água
1,0
1,0006
2
2
2,2
5 a 10
6 a 7
81

Linhas de força elétricas
Faraday percebeu a analogia existente entre o dielétrico de um capacitor e o núcleo de ferro de um eletroímã. O primeiro aumenta a carga que o capacitor aceitará, e o último aumenta o magnetismo que uma bobina pode produzir. Ele achou que podia explicar o efeito dos dielétricos, introduzindo o conceito de "linhas de força elétricas", semelhantes às 'linhas de força magnéticas' que tinha usado com tanto sucesso em suas pesquisas sobre magnetismo.
Faraday definiu uma linha de força elétrica como a trajetória retilínea seguida por uma pequena carga positiva abandonada nas vizinhanças de um pequeno corpo carregado eletricamente. Conforme se vê na ilustração abaixo, em (a), as linhas de força elétricas em torno de uma esfera carregada propagam-se radialmente, partindo da esfera.


Linhas de força elétrica de Faraday, (a) em torno de uma esfera carregada,
(b) entre esferas carregadas com cargas de sinais opostos, e
(c) entre placas carregadas com cargas de sinais opostos

 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.
A ilustração abaixo mostra várias moléculas representativas de um dielétrico colocado entre as placas de um capacitor.


Um material dielétrico pola-
rizado em um campo elétrico

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.
Importante: Nos limites entre o dielétrico e cada placa, as cargas moleculares adjacentes neutralizam o campo elétrico de uma parte da carga da placa. Isto tende a reduzir o número de linhas de força que se estendem entre as placas, e a bateria pode, por isso, enviar carga adicional para as placas. As cargas moleculares não podem deixar o dielétrico e entrar na placa adjacente. Diz-se que elas constituem uma 'carga confinada à superfície'.

A relação entre os campos elétrico e magnético
Os campos elétrico e magnético tornaram-se conceitos indispensáveis em muitas áreas científicas. Eles constituem o meio intermediário pelo qual as forças elétricas e magnéticas podem ser exercidas no espaço vazio. Os cientistas os consideram como conceitos fundamentais porque não podem ser explicados em termos de idéias ainda mais simples. A despeito do fato de que nossos sentidos não podem percebê-los, eles são tão reais para os cientistas como o ar que respiram.

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
A descoberta de que a luz era de certo modo relacionada com a eletricidade e o magnetismo foi obra de Faraday, em 1845. Após revelar as relações até então ocultas entre a eletricidade e o magnetiSmo, ele começou a procurar uma interação entre o magnetismo e a luz. O aparelho que utilizou foi simplesmente um pedaço de vidro grosso e um eletroímã em forma de ferradura. Colocou o pedaço de vidro em contato com os pólos magnéticos, conforme se vê abaixo. Em seguida, passou um feixe de luz polarizada pelo vidro, de maneira que ele se deslocasse essencialmente na mesma direção que as linhas magnéticas de força entre os pólos. Quando ele estudou a luz que emergiu do vidro, verificou que ainda estava polarizada, mas que seu plano de polarização havia sido modificado pelo campo magnético.


Aparelho de Faraday para mostrar
que a luz é relacionada com a eletri-
cidade e o magnetismo.
A luz polarizada penetrando no vi-
dro passa por uma transformação em
 seu plano de polarização, enquanto
 estiver presente um campo magnético

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.
Este "efeito de Faraday", como é chamado, ocorre sempre que uma luz polarizada passa através de uma substância transparente, ao longo das linhas de força de um forte campo magnético.

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
Em 1843, ainda perdurava a batalha sobre o principio da pilha voltaica. Um grupo argumentava que a eletricidade provinha do contato de metais dessemelhantes, enquanto o outro retrucava que a eletricidade era produzida pelas reações químicas ocorridas dentro da pilha. Faraday salientou que uma corrente elétrica pode produzir trabalho útil, como no caso da deflexão da agulha de uma bússola. Esse trabalho deve ser executado a expensas da energia química armazenada na pilha. Ele ainda foi um passo além, mostrando que a quantidade de corrente enviada a percorrer um circuito é proporcional à quantidade das substâncias químicas gastas.

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
E/
Dt = R.I2

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.
Um watt, é equivalente a um consumo de 1 joule de energia a cada segundo. Se P representar a potência, a equação pode ser escrita da seguinte forma:

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.
Nos anos seguintes, outros cientistas desenvolveram suas idéias. As contribuições de William Thompson (Lorde Kelvin) para a termodinâmica já foram descritas anteriormente. Em 1847, Hermann Helmholtz (1821-1894) publicou um importante panfleto, Erhaltung der Kraft ("Conservação da Energia"), que havia sido recusado para publicação por um jornal científico importante, Annalen der Physik. Suas idéias eram demasiado revolucionárias para os cientistas da época. Helmholtz assegurava que a conservação da energia é uma lei básica da natureza; que a energia cinética dos corpos em movimento, ou a energia potencial da água represada por trás de uma barragem, podem ser convertidas em calor de acordo com leis definidas, como ensinara Joule; e que qualquer dessas formas de energia pode ser convertida nas formas química, eletrostática, magnética ou voltaica.

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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