Transcrição do vídeo
Neste vídeo, vamos aprender sobre eletricidade estática. E como veremos, a eletricidade estática envolve a acumulação e, em seguida, a descarga da carga elétrica. A primeira coisa a saber sobre eletricidade estática é que esta nos traz de volta ao básico: cargas elétricas positivas e negativas.
E aqui estão as regras de como estas cargas interagem. Se tivermos cargas do tipo oposto, como temos aqui, estas atrair-se-ão. Ou seja, haverá uma força de atração em cada uma destas cargas devido à outra carga. Mas então, por outro lado, se tivermos duas cargas semelhantes, digamos que estas duas cargas positivas aqui, estas repelem-se. Afastam-se. E a mesma coisa acontece se, em vez de duas cargas positivas, tivermos duas cargas negativas. Como as cargas são de um tipo semelhante, repelem-se.
Mantendo estas regras em mente, podemos perguntar-nos por que é que não experimentamos esta repulsão positiva e negativa com muita frequência na nossa vida quotidiana. A resposta a esta pergunta é, em grande medida, os objetos com os quais interagimos diariamente — mesas e cadeiras e pisos e paredes e portas — não têm uma carga elétrica neles. São neutros. E se levarmos um objeto eletricamente neutro para perto de outro objeto eletricamente neutro, não haverá interação elétrica entre eles e esta é a situação que frequentemente encontramos.
Um aspeto importante acerca estes objetos eletricamente neutros é que, embora não tenham carga total ou líquida, isso não significa que não tenham cargas positivas e negativas dentro de si. Na verdade, têm muitas e muitas cargas positivas e negativas. Só que se equilibram perfeitamente. Existe o mesmo número de mais e de menos. No geral, é eletricamente neutro. Mas é possível e é daí que vem a eletricidade estática. É possível que a carga seja transferida entre estes objetos.
Para ver como isso acontece, vamos considerar a estrutura microscópica em escala muito pequena de objetos sólidos. Afinal, são objetos sólidos com os quais estamos mais conscientes de interagir diariamente. Agora, se começarmos por ver um gás, sabemos que os átomos nesse gás são incrivelmente móveis. Podem mover-se em todas as direções. Se, a seguir, passarmos para um líquido, haverá um pouco mais de ordem na estrutura molecular deste estado da matéria, mas não muito mais. É realmente só quando chegamos aos objetos sólidos que começamos a ver um padrão muito fixo e rígido da forma como os átomos se organizam.
Num sólido, os átomos estão organizados numa estrutura em rede ordenada. Parece-se com uma grelha. E lembre-se de que cada um desses átomos é formado por um núcleo com carga positiva que possui protões e neutrões e orbitado por eletrões com carga negativa. Em comparação com os núcleos atómicos fixos nesta estrutura em rede, estes eletrões têm muito mais probabilidade de se mover para serem transferidos de um lugar para outro. Então, quando dois objetos sólidos entram em contato — talvez se choquem ou se esfreguem — é possível e até provável que ocorra alguma transferência de eletrões. Os eletrões de um lado atravessarão a barreira para o outro lado.
Quando isso acontece, observe o que temos agora. Este objeto à esquerda agora tem um excesso de carga negativa e este objeto à direita agora tem uma escassez de carga negativa. Por outras palavras, o objeto à esquerda agora tem uma carga negativa e o objeto à direita agora tem uma carga positiva. Quando isso acontece, podemos ver o que acontecerá. Como agora temos objetos com cargas opostas, estes atrair-se-ão.
Isto é exatamente o que acontece quando temos um balão cheio e esfregamo-lo contra uma parede. Inicialmente, tanto o balão quanto a parede são eletricamente neutros. Têm o mesmo número de cargas positivas e negativas. Mas quando entram em contato e há atrito entre as duas superfícies, alguns eletrões da parede são transferidos para o balão. O balão agora tem uma carga negativa e a parede tem uma carga positiva. Então, atraem-se. E se já tentou fazer isto, pode ver que realmente funciona. O balão pegar-se-á à parede. Não cairá.
Neste ponto, podemos perguntar-nos por que é que quando dois objetos sólidos neutros entram em contato que os eletrões se movem de um dos objetos para o outro e não para os dois lados. Por outras palavras, neste caso, por que é que os eletrões se movem do objeto da direita para o da esquerda e não do da esquerda para o da direita. Esta tendência dos eletrões de fluir num sentido quando dois objetos interagem e não o outro tem a ver com o que é chamado de eletronegatividade dos objetos.
Este é um valor quantitativo que descreve a probabilidade de um objeto, como uma parede, uma borracha ou um aço, aceitar eletrões. Quando objetos de dois materiais diferentes interagem, digamos o nosso balão de borracha e a nossa parede seca, então, qualquer objeto com maior probabilidade de aceitar eletrões é aquele que terá eletrões a fluir para si.
Dito isto, vamos considerar por um momento o título desta aula "eletricidade estática". Agora, temos que admitir que este é um termo um pouco estranho. Afinal, a palavra estática significa estacionário. Refere-se a algo que não se está a mover, enquanto a eletricidade, claro, é carga em movimento. Então, qual destes é: a eletricidade estática refere-se a algo em movimento ou a algo que está parado?
Podemos ter uma ideia disto considerando novamente estes dois objetos que, recordemos, eram originalmente neutros. Mas agora cada um deles tem uma carga elétrica. Vimos que inicialmente estes objetos estavam separados um do outro. E nesta altura, cada um deles tinha o mesmo número de cargas positivas e negativas. Cada um deles era eletricamente neutro. Em seguida, colocamo-los em contato. E, por meio desse contato, a carga moveu-se do objeto direito para o esquerdo.
Portanto, o que temos agora é um acúmulo de carga elétrica. Temos uma acumulação de carga negativa neste objeto e uma acumulação de carga positiva neste. Se deixássemos estes objetos parados, mas em contato um com o outro, esta poderia ser a forma em que permaneceriam ato eterno. A situação pode ser estática. Temos uma acumulação estática de carga.
Mas vamos imaginar isto. Digamos que separemos estes objetos mais uma vez para que não estejam mais em contato. Então, digamos que pegamos no nosso objeto com carga negativa. E, utilizando o mesmo processo com outros objetos que não estão no ecrã, adicionamos mais carga negativa a este. À medida que adicionamos mais e mais carga negativa a este objeto, podemos ver pelas regras básicas de carga que descrevemos aqui que este objeto é cada vez mais atraído por carga positiva.
Até certo ponto, o ar que separa estes dois objetos serve como isolante. Este impede que as cargas se movam de um objeto para outro. Mas, eventualmente, à medida que mais e mais carga negativa se acumula neste objeto, a barreira de ar não é mais suficiente para separar as cargas. Nesta altura, temos tantas cargas negativas a ser atraídas para as positivas que a força atrativa é grande o suficiente para quebrar essa barreira. Essa imagem de quebrar uma barreira é boa porque descreve o quão súbita e dramática é a descarga de carga negativa deste objeto.
Quando esta carga for grande o suficiente, ela saltará a distância entre estes dois objetos, a sua eletricidade fluirá pelo ar. A propósito, isto é a mesma coisa que acontece quando um raio cai durante uma tempestade. Houve uma grande acumulação de carga na nuvem de tempestade. E, eventualmente, esta carga é grande o suficiente para superar esta camada isolante de ar entre a Terra e a nuvem. Vemos, então, o sentido em que a eletricidade estática é tanto estática — estacionária — quanto elétrica que envolve movimento. É um processo de carga e descarga.
Muitos de nós tem muita experiência na vida real com eletricidade estática. Digamos, por exemplo, que está a andar com meias nos pés numa carpete felpuda. De cada vez que damos um passo, o atrito entre as nossas meias e a carpete leva à transferência de eletrões da carpete para nós. Talvez sem perceber, à medida que caminhamos, acumulamos mais e mais carga. Esta é acumulação de carga elétrica em nós.
Esta carga elétrica negativa que temos agora, à medida que fica cada vez maior, é cada vez mais atraída por quaisquer cargas positivas nas proximidades. Isso significa que sempre que nos aproximamos de um objeto como um interruptor de luz ou uma maçaneta de uma porta que tem uma carga positiva relativa em comparação com a nossa grande carga negativa, todas estas cargas negativas fluirão repentina e dramaticamente do nosso corpo para o objeto relativamente positivo. Veremos talvez uma pequena faísca de eletricidade. Este é o processo de descarga elétrica estática e é onde sentimos aquele pequeno choque.
Portanto, a eletricidade estática realmente resume-se às interações entre cargas positivas e negativas, atrações e repulsões. Vamos praticar um pouco estas ideias por meio de alguns exemplos.
Uma viga de polietileno é esfregada com um espanador de pano, dando a esta uma carga negativa. Uma segunda viga de polietileno é esfregada com um espanador e as duas vigas são aproximadas. O que vai acontecer?
Então, aqui temos uma viga de polietileno — que é uma viga de plástico — e um espanador de pano. E no início, podemos supor que estes dois objetos são eletricamente neutros; ou seja, não têm carga elétrica. É importante perceber, porém, que isso não significa que a viga e o pano não tenham cargas positivas e negativas. Tudo o que isso significa é que se equilibram. Em cada objeto, há o mesmo número de cargas positivas e negativas. Então, a um nível líquido ou geral, são neutros.
Ok, disseram-nos de que a viga e o tecido entram em contato e são esfregados. E uma vez feito isto, disseram-nos que, no geral, a viga agora tem uma carga elétrica negativa. O que é que isso significa? Isso significa que enquanto o tecido e a viga eram esfregados, os eletrões moviam-se do tecido para a viga. Como os eletrões têm carga elétrica negativa, quando se acumulam na viga, também fornecem uma carga negativa. Isso também significa que, após esta interação, o tecido tem uma carga positiva. Isso porque cedeu alguns eletrões para a viga.
Mas de qualquer maneira, o nosso foco está nesta viga de polietileno de carga negativa. Ficamos a saber que com uma segunda viga de polietileno originalmente neutra e um segundo espanador de pano originalmente neutro, ocorre um processo semelhante. Os dois são esfregados. E sabemos que, por ser o mesmo tipo de processo de transferência de carga de antes, esta segunda viga de polietileno também terminará com uma carga negativa. Disseram-nos, a seguir, que estas duas vigas são colocadas em conjunto. E a questão é o que vai acontecer.
Podemos ver que ambos os objetos têm uma carga elétrica negativa. Ou seja, possuem a mesma carga, neste caso negativa. Podemos lembrar que, quando se trata de cargas elétricas a interagir entre si, as cargas opostas atraem-se e cargas iguais repelem-se. Sabemos que as nossas duas vigas de polietileno têm uma carga elétrica negativa. Por outras palavras, ambas têm cargas iguais.
Isso diz-nos que as vigas sofrerão uma força repulsiva. Tentarão separar-se uma da outra quando tentarmos juntá-las. Esta então é a nossa resposta à pergunta sobre o que acontecerá quando estas vigas forem aproximadas. Podemos dizer que as duas vigas de polietileno se repelirão.
Vejamos agora mais um exemplo de eletricidade estática.
A acumulação de que tipo de partícula dá a um objeto uma carga elétrica?
Nesta questão, vamos responder a qual é a partícula que dá a um objeto uma carga elétrica. Digamos que comecemos com algum objeto genérico. Aqui está o nosso objeto. No início, diremos que este objeto é eletricamente neutro. Agora, sabíamos que isto não significa que não tenha nenhuma carga positiva ou negativa. Significa apenas que estas cargas se equilibram. Existe o mesmo número de cargas positivas e negativas neste objeto.
Falando em cargas positivas e negativas, o que é que cria estas cargas? Para responder a esta questão, vamos relembrar a estrutura de um átomo. Um átomo consiste num núcleo de carga positiva composto por protões e neutrões orbitados por eletrões com carga negativa. Então, realmente, são estas três partículas de protões, neutrões e eletrões, que são os nossos candidatos à partícula que dá a um objeto uma carga elétrica. E sabemos que são os eletrões os responsáveis pela carga negativa, os protões pela carga positiva e que os neutrões — fiel ao seu nome — não têm carga elétrica.
Então, estas são as nossas opções para a resposta de que partícula dá carga elétrica aos objetos. E, assim, podemos riscar o neutrão da lista porque sabemos que não tem carga elétrica. Então, ficamos reduzidos a eletrões e protões.
Voltando ao nosso objeto, digamos que este é um objeto sólido. Não é um líquido ou um gás, mas sim num estado sólido da matéria. Isso significa que se ampliássemos uma pequena parte deste objeto, veríamos uma estrutura atómica muito ordenada dos átomos. Estão dispostos em forma de grelha uniforme. Os núcleos atómicos aqui estão desenhados a rosa e, em seguida, os eletrões em órbita estão desenhados a azul.
Graças a esta estrutura em rede, o arranjo ordenado de todos os átomos, são os núcleos — os pontos rosa — que estão totalmente fixos no lugar. Estes não se podem mover sem provocar uma grande perturbação. E, portanto, são muito improváveis. Os eletrões, por outro lado — aqueles pontos azuis — são muito mais móveis do que os núcleos com carga positiva.
Agora, digamos que mudávamos a nossa visão para que estarmos a olhar de perto uma parte do nosso objeto na borda do objeto. E, assim como antes, vemos esta estrutura atómica uniformemente espaçada, a rede atómica. E digamos que, além do nosso objeto original, agora temos um segundo objeto, também eletricamente neutro. Se colocássemos estes dois objetos em contato e talvez os esfregássemos um no outro, o que veríamos é que é provável que ocorra transferência de carga entre eles.
E que carga acha que se moverá de um objeto para o outro? Em vez das cargas positivas fixas no lugar ligadas ao núcleo, serão os eletrões mais móveis que serão transferidos entre os objetos. É a troca destas partículas — eletrões com carga negativa — que dão aos objetos a sua carga elétrica. E esta é a nossa resposta. Mesmo que os eletrões e protões tenham a capacidade de dar carga a um objeto, na prática são os eletrões que se transferem entre os objetos e criam esta carga elétrica.
Tendo visto isto, vamos agora resumir o que aprendemos sobre eletricidade estática. Neste vídeo, vimos que a eletricidade estática se deve à acumulação e, em seguida, à descarga de carga elétrica. Isso pode acontecer em pequena escala. Por exemplo, pode acontecer connosco quando chegamos à maçaneta de uma porta de metal num dia seco ou em grande escala, por exemplo, um raio vindo de uma nuvem de tempestade.
Além disso, aprendemos que a acumulação e a descarga de carga são provocadas pela atração e repulsão de cargas. Ou seja, se as cargas elétricas forem opostas, estas atraem-se. E se são iguais ou as mesmas, repelem-se.
E, além disso, vimos que a estrutura dos sólidos — esta estrutura em rede — significa que a carga negativa em vez de positiva é o que é transferido entre os objetos. Por outras palavras, são os eletrões que se movem de um objeto para outro, enquanto os protões permanecem no seu lugar.
