Condutores e Isolantes

Figura 21-2 (a) Dois bastões carregados com cargas de mesmo sinal se repelem. (b) Dois bastões carregados com cargas de sinais opostos se atraem. Os sinais positivos indicam um excesso de carga positiva, e os sinais negativos indicam um excesso de carga negativa.

Condutores e Isolantes

Os materiais podem ser classificados de acordo com a facilidade com a qual as cargas elétricas se movem no seu interior. Nos condutores, como o cobre dos fios elétricos, o corpo humano e a água de torneira, as cargas elétricas se movem com facilidade. Nos isolantes, como os plásticos do isolamento dos fios, a borracha, o vidro e a água destilada, as cargas não se movem. Os semicondutores, como o silício e o germânio, conduzem eletricidade melhor que os isolantes, mas não tão bem como os condutores. Os supercondutores são condutores perfeitos, materiais nos quais as cargas se movem sem encontrar nenhuma resistência. Neste capítulo e nos capítulos seguintes, discutiremos apenas os condutores e os isolantes.

Condução de Eletricidade. Vamos começar com um exemplo de como a condução de eletricidade pode eliminar o excesso de cargas. Quando esfregamos uma barra de cobre com um pedaço de lã, cargas são transferidas da lã para o cobre. Entretanto, se você segurar ao mesmo tempo a barra de cobre e uma torneira, a barra de cobre não ficará carregada. O que acontece é que você, a barra de cobre e a torneira são condutores que estão ligados, pelo encanamento, a um imenso condutor, que é a Terra. Como as cargas em excesso depositadas no cobre pela lã se repelem, elas se afastam umas das outras passando primeiro para a sua mão, depois para a torneira e finalmente para a Terra, onde se espalham. O processo deixa a barra de cobre eletricamente neutra.

Quando estabelecemos um caminho entre um objeto e a Terra constituído unicamente por materiais condutores, dizemos que o objeto está aterrado; quando a carga de um objeto é neutralizada pela eliminação do excesso de cargas positivas ou negativas por meio da Terra, dizemos que o objeto foi descarregado. Se você usar uma luva feita de material isolante para segurar a barra de cobre, o caminho de condutores até a Terra estará interrompido e a barra ficará carregada por atrito (a carga permanecerá na barra) enquanto você não tocar nela com a mão nua.

Partículas Carregadas. O comportamento dos condutores e isolantes se deve à estrutura e às propriedades elétricas dos átomos. Os átomos são formados por três tipos de partículas: os prótons, que possuem carga elétrica positiva, os elétrons, que possuem carga elétrica negativa, e os nêutrons, que não possuem carga elétrica. Os prótons e os nêutrons ocupam a região central do átomo, que é conhecida como núcleo.

As cargas de um próton isolado e de um elétron isolado têm o mesmo valor absoluto e sinais opostos; um átomo eletricamente neutro contém o mesmo número de prótons e elétrons. Os elétrons são mantidos nas proximidades do núcleo porque possuem uma carga elétrica oposta à dos prótons do núcleo e, portanto, são atraídos para o núcleo.

Quando os átomos de um material condutor como o cobre se unem para formar um sólido, alguns dos elétrons mais afastados do núcleo (que estão, portanto, submetidos a uma força de atração menor) se tornam livres para vagar pelo material, deixando para trás átomos positivamente carregados (íons positivos). Esses elétrons móveis recebem o nome de elétrons de condução. Os materiais isolantes possuem um número muito pequeno, ou mesmo nulo, de elétrons de condução.

Carga Induzida. O experimento da Fig. 21-3 demonstra a mobilidade das cargas em um material condutor. Uma barra de plástico negativamente carregada atrai a extremidade de uma barra neutra de cobre que estiver mais próxima. O que acontece é que os elétrons de condução da extremidade mais próxima da barra de cobre são repelidos pela carga negativa da barra de plástico. Alguns desses elétrons de condução se acumulam na outra extremidade da barra de cobre, deixando a extremidade mais próxima com uma falta de elétrons e, portanto, com uma carga total positiva. Como essa carga positiva está mais próxima da barra de plástico, a força de atração que a barra de plástico exerce sobre ela é maior que a força de repulsão que a barra de plástico exerce sobre a carga negativa que se acumulou na outra extremidade da barra de cobre. Embora a barra de cobre como um todo continue a ser eletricamente neutra, dizemos que ela possui uma carga induzida; isso significa que algumas das cargas positivas e negativas foram separadas pela presença de uma carga próxima.

Analogamente, se uma barra de vidro positivamente carregada é aproximada de uma barra de cobre neutra, os elétrons de condução da barra de cobre são atraídos na direção da barra de vidro. Assim, a extremidade da barra de cobre mais próxima da barra de vidro fica negativamente carregada e a outra extremidade fica positivamente carregada e, mais uma vez, a barra de cobre adquire uma carga induzida. Embora continue a ser eletricamente neutra, a barra de cobre é atraída pela barra de vidro.

Figura 21-3 Uma barra de cobre neutra é isolada eletricamente da terra ao ser suspensa por um fio, de material isolante. Uma barra de plástico eletricamente carregada atrai a extremidade da barra de cobre que estiver mais próxima. Isso acontece porque os elétrons de condução da barra de cobre são repelidos para a extremidade mais afastada da barra pela carga negativa da barra de plástico, deixando a extremidade mais próxima com uma carga total positiva. Como essa carga positiva está mais próxima da barra de plástico, a força de atração que a barra de plástico exerce sobre ela é maior que a força de repulsão que a barra de plástico exerce sobre a carga negativa que se acumulou na outra extremidade da barra de cobre, o que produz uma rotação da barra de cobre.

Note que apenas os elétrons de condução, que possuem carga negativa, podem se mover; os íons positivos permanecem onde estavam. Assim, para carregar um objeto positivamente é necessário remover cargas negativas.

Clarões Azuis em uma Pastilha

Uma demonstração indireta da atração de cargas de sinais opostos pode ser

feita com o auxílio de pastilhas de gaultéria (wintergreen, em inglês).1 Se você deixar os olhos se adaptarem à escuridão durante cerca de 15 minutos e pedir a um amigo para mastigar uma pastilha de gaultéria, verá um clarão azul sair da boca do seu amigo a cada dentada. Quando a pastilha é partida em pedaços por uma dentada, em geral cada pedaço fica com um número diferente de elétrons. Suponha que a pastilha se parta nos pedaços A e B e

que A possua mais elétrons na superfície que B (Fig. 21-4). Isso significa que B possui íons positivos (átomos que perderam elétrons para A) na superfície. Como os elétrons de A são fortemente atraídos para os íons positivos de B, alguns desses elétrons saltam de A para B.

Figura 21-4 Dois pedaços de uma pastilha de gaultéria se afastando um do outro. Os elétrons que saltam da superfície negativa do pedaço A para a superfície positiva do pedaço B colidem com moléculas de nitrogênio (N ) do ar. 2