Qual é o tipo de carga elétrica que se movimenta em fios metálicos?

Nesta aula vamos iniciar o estudo da Eletricidade. Esta parte da Física estuda os efeitos de uma propriedade chamada carga elétrica.

É a Eletricidade que explica o funcionamento de aparelhos como chuveiros, ventiladores, computadores, telefones, etc.

A palavra eletricidade deriva da palavragrega elektron, que significa âmbar. O âmbar é um material que resulta do endurecimento da seiva de alguns tipos de árvores que viveram há milhões de anos (portanto é um material fóssil). O filósofo grego Tales (século VI a.C.) observou que após ser atritado com um tecido, o âmbar adquiria a propriedade de atrair pequenos objetos como fios de cabelo, fios de algodão ou pedaços de palha. Na Fig. 1 ilustramos esse fato usando um bastão de vidro atraindo pedaços de papel.

Esse efeito será estudado mais tarde com detalhe. Por enquanto estamos mencionando-o apenas para explicar a origem da palavra Eletricidade pois foi a partir desse experimento que originou-se o estudo da Eletricidade.

Elétrons, Prótons e Nêutrons

Hoje sabemos que a matéria é feita de átomos, os quais são formados por três tipos de partículas: os prótons, os nêutrons e os elétrons. Os prótons e nêutrons ficam juntos formando a parte central do átomo denominada núcleo; os elétrons movem-se em torno do núcleo. O número de prótons e nêutrons no núcleo é variável. Porém, em qualquer caso, em um átomo, o número de prótons é igual ao de elétrons. Na Fig. 2 fazemos uma representação de um dos tipos de átomo de hélio, o qual tem 2 prótons, 2 elétrons e 2 nêutrons.

Carga Elétrica

A experiência mostra que (Fig. 3):

I. Entre dois elétrons (Fig. 3a) existe um par de forças de repulsão.

II. Entre dois prótons (Fig. 3b) existe um par de forças de repulsão.

III. Entre um próton e um elétron (Fig. 3c) existe um par de forças de atração.

a)

b)

c)

Para explicar esses efeitos nós dizemos que os prótons e os elétrons têm uma propriedade chamada carga elétrica:

•  - o próton tem carga elétrica positiva 
•  - o elétron tem carga elétrica negativa

A carga elétrica do nêutron é zero pois o nêutron não atrai nem repele prótons ou elétrons.

A força elétrica exercida por um próton tem a mesma intensidade que a força elétrica exercida por um elétron (à mesma distância). Por isso, podemos dizer que, em módulo, o próton e o elétron têm cargas elétricas iguais. A carga elétrica do próton é chamada de carga elétrica elementar e é representada por e. Portanto a carga elétrica do elétron é -e

Valor da carga elétrica elementar

No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de carga é o coulomb, cujo símbolo é C. O valor da carga elétrica elementar é:

Estabilidade do Núcleo

Nós afirmamos que entre dois prótons existe um par de forças elétricas de repulsão. Como é possível então, que os prótons fiquem juntos no núcleo do átomo?

Isso acontece porque existe um outro tipo de força, chamada de força nuclear, que só se manifesta quando a distância entre os prótons é muito pequena, menor do que 10-15m. A força nuclear é uma força de atração que supera a repulsão elétrica e, assim, mantém os prótons juntos.

Átomos e Íons

Num átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons; portanto a carga elétrica total do átomo é igual a zero. No entanto um átomo pode ganhar ou perder elétrons, tornando-se um íon. Quando o átomo perde elétrons, fica com excesso de prótons e, assim, sua carga fica positiva: temos um íon positivo. Quando um átomo ganha elétrons, fica com excesso de carga negativa: temos um íon negativo.

Corrente Elétrica

Quando temos um movimento ordenado de partículas com carga elétrica, dizemos que temos uma corrente elétrica.

Correntes em fios metálicos

Quando um átomo tem vários elétrons, esses elétrons estão a distâncias diferentes do núcleo. Alguns estão mais próximos e outros mais distantes. Nos átomos dos metais, os elétrons, que estão mais afastados do núcleo estão fracamente ligados a ele, e podem se mover pela aplicação de força de intensidades pequenas. Esses elétrons são denominados elétrons livres.

Um modo de colocar os elétrons livres em movimento relativamente ordenado e, assim, obter uma corrente elétrica, é ligar os extremos do fio aos terminais de um gerador. Como exemplos de geradores podemos citar as baterias de automóvel (Fig. 4a), as pilhas de lanterna (Fig. 4b) e as baterias usadas em relógios ou calculadoras eletrônicas (Fig. 4c).

Esses geradores produzem a corrente elétrica por meio de reações químicas (que serão estudadas nas aulas de química) e por isso são chamados de geradores químicos.

Os geradores químicos produzem correntes elétricas de pequena intensidade. Para produzir correntes elétricas de grande intensidade são usados geradores eletromagnéticos cujo funcionamento será explicado mais tarde no estudo do magnetismo. Como exemplo podemos citar as grandes usinas que produzem a energia elétrica que alimenta as cidades. Essas usinas usam vários geradores eletromagnéticos que são movidos pelo vapor d'água (termoelétricas) ou pelas quedas d'água (hidroelétricas). Na Fig. 5 temos a foto da usina de Itaipu.

Na Fig. 6a representamos um fio metálico cujos extremos foram ligados aos terminais de uma bateria. A bateria força os elétrons livres a entrarem em movimento (Fig. 6b).

O terminal da bateria por onde saem os elétrons é chamado de polo negativo e o terminal por onde entram os elétrons é chamado de polo positivo.

Sentido Convencional

Mais adiante veremos que uma carga negativa movendo-se em um sentido, produz o mesmo efeito que uma carga positiva movendo-se em sentido oposto. Acontece que no século XIX, quando ainda não se conhecia a estrutura do átomo, achava-se que as partículas que se movimentavam dentro de um fio metálico eram as cargas positivas. Devido a isso adotamos como sentido convencional da corrente elétrica, o sentido oposto ao do movimento dos elétrons (Fig. 7). Portanto a corrente convencional sai do polo positivo da bateria (Fig. 8).

Correntes Iônicas

Quando um sal (ou um ácido ou uma base) é dissolvido em água, cada molécula do sal se parte (dissocia) formando um íon positivo e um íon negativo. Se mergulharmos nessa solução duas placas metálicas ligadas por fios metálicos aos polos de uma bateria (Fig.9) os íons positivos e negativos movimentar-se-ão em sentidos opostos.

Que tipo de carga se movimenta em um fio metálico?

Como ocorre a passagem de corrente elétrica nos fios metálicos?

Como é chamado o movimento de elétrons dentro dos fios?

Quais são os tipos de cargas elétricas?