18.2: Condutores e isoladores

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Defina condutor e isolador, explique a diferença e dê exemplos de cada um.
Descreva três métodos para carregar um objeto.
Explique o que acontece com uma força elétrica à medida que você se afasta da fonte.
Defina polarização.

Algumas substâncias, como metais e água salgada, permitem que as cargas se movam por elas com relativa facilidade. Alguns dos elétrons em metais e condutores similares não estão ligados a átomos ou sítios individuais no material. Esses elétrons livres podem se mover pelo material da mesma forma que o ar se move pela areia solta. Qualquer substância que tenha elétrons livres e permita que a carga se mova com relativa liberdade é chamada de condutora. Os elétrons em movimento podem colidir com átomos e moléculas fixas, perdendo alguma energia, mas podem se mover em um condutor. Os supercondutores permitem o movimento da carga sem perda de energia. A água salgada e outros materiais condutores similares contêm íons livres que podem se mover através deles. Um íon é um átomo ou molécula com uma carga total positiva ou negativa (diferente de zero). Em outras palavras, o número total de elétrons não é igual ao número total de prótons.

Essa unidade de carregamento de energia preta conecta um laptop a uma tomada elétrica, permitindo que o laptop seja carregado. — Figura\(\PageIndex{1}\): Este adaptador de energia usa fios e conectores de metal para conduzir eletricidade da tomada de parede para um laptop. Os fios condutores permitem que os elétrons se movam livremente pelos cabos, que são protegidos por borracha e plástico. Esses materiais atuam como isolantes que não permitem que a carga elétrica escape para fora. (crédito: Evan-Amos, Wikimedia Commons)

Outras substâncias, como o vidro, não permitem que as cargas passem por elas. Eles são chamados de isoladores. Os elétrons e íons nos isoladores estão ligados à estrutura e não podem se mover facilmente — até\(10^{23}\) vezes mais lentamente do que nos condutores. Água pura e sal de mesa seco são isolantes, por exemplo, enquanto o sal derretido e a água salgada são condutores.

Cobrança por contato

A figura\(\PageIndex{2}\) mostra um eletroscópio sendo carregado ao tocá-lo com uma haste de vidro com carga positiva. Como a haste de vidro é um isolante, ela deve realmente tocar no eletroscópio para transferir a carga de ou para ela. (Observe que as cargas positivas extras residem na superfície da haste de vidro como resultado de esfregá-la com seda antes de iniciar o experimento.) Como apenas elétrons se movem nos metais, vemos que eles são atraídos para a parte superior do eletroscópio. Lá, alguns são transferidos para a haste positiva pelo toque, deixando o eletroscópio com uma carga positiva líquida.

Na parte a, um eletroscópio é mostrado. Uma haste de vidro com sinais positivos está próxima à ponta do eletroscópio, que tem sinais negativos, e as folhas têm sinais positivos. Na parte b, a haste de vidro com sinal positivo está em contato com a ponta do eletroscópio com sinais negativos. Os sinais negativos são mostrados movendo-se para a haste por meio de setas apontando para a haste. As superfícies das folhas agora têm carga positiva e negativa. Na parte c, a haste de vidro está ausente. A ponta e as folhas do eletroscópio têm sinais positivos e negativos. — Figura\(\PageIndex{2}\): Um eletroscópio é o instrumento favorito em demonstrações de física e laboratórios estudantis. Normalmente é feito com folhas de folha de ouro penduradas em uma haste de metal (condutora) e é isolado do ar ambiente em um recipiente com paredes de vidro. (a) Uma haste de vidro com carga positiva é trazida para perto da ponta do eletroscópio, atraindo elétrons para o topo e deixando uma carga positiva líquida nas folhas. Como cargas na luz, folhas douradas flexíveis se repelem, separando-as. (b) Quando a haste é tocada contra a bola, os elétrons são atraídos e transferidos, reduzindo a carga líquida na haste de vidro, mas deixando o eletroscópio carregado positivamente. (c) As cargas excedentes são distribuídas uniformemente no caule e nas folhas do eletroscópio assim que a haste de vidro é removida.

A repulsão eletrostática nas folhas do eletroscópio carregado as separa. A força eletrostática tem um componente horizontal que resulta na separação das folhas, bem como um componente vertical que é equilibrado pela força gravitacional. Da mesma forma, o eletroscópio pode ser carregado negativamente pelo contato com um objeto carregado negativamente.

Carregamento por indução

Não é necessário transferir o excesso de carga diretamente para um objeto para carregá-lo. \(\PageIndex{3}\)A figura mostra um método de indução em que uma carga é criada em um objeto próximo, sem contato direto. Aqui vemos duas esferas de metal neutras em contato uma com a outra, mas isoladas do resto do mundo. Uma haste carregada positivamente é trazida para perto de uma delas, atraindo carga negativa para esse lado, deixando a outra esfera carregada positivamente.

Na parte a, um par de esferas de metal neutro está em contato. Na parte b, uma haste com sinais positivos está próxima de uma superfície da esfera e os sinais negativos são mostrados nessa superfície em direção à haste e sinais positivos são mostrados na face externa da outra esfera. Na parte c, a haste e as esferas não estão em contato. A superfície mais externa de uma esfera tem sinais negativos e a superfície mais externa de outra esfera tem sinais positivos. Na parte d, a haste de vidro não é mostrada. As superfícies internas das esferas metálicas têm cargas opostas. Uma esfera tem sinais negativos e a outra tem sinais positivos frente a frente. — Figura\(\PageIndex{3}\): Carregamento por indução. (a) Duas esferas de metal neutras ou não carregadas estão em contato uma com a outra, mas isoladas do resto do mundo. (b) Uma haste de vidro com carga positiva é trazida para perto da esfera à esquerda, atraindo carga negativa e deixando a outra esfera carregada positivamente. (c) As esferas são separadas antes que a haste seja removida, separando assim a carga negativa da positiva. (d) As esferas retêm cargas líquidas após a remoção da haste indutora, sem nunca terem sido tocadas por um objeto carregado.

Este é um exemplo de polarização induzida de objetos neutros. A polarização é a separação de cargas em um objeto que permanece neutro. Se as esferas estiverem agora separadas (antes que a haste seja retirada), cada esfera terá uma carga líquida. Observe que o objeto mais próximo da haste carregada recebe uma carga oposta quando carregado por indução. Observe também que nenhuma carga é removida da haste carregada, para que esse processo possa ser repetido sem esgotar o suprimento de excesso de carga.

Na parte a, uma haste com sinal positivo é trazida para perto de uma esfera de metal neutra. Uma superfície em direção à haste tem sinais negativos e a outra superfície tem sinais positivos. Na parte b, uma haste com sinal positivo está próxima a uma superfície da esfera com sinais negativos e a outra superfície tem baixo número de sinais positivos e um fio é preso à face que está conectada ao solo. Na parte c, uma haste com sinal positivo está próxima de uma superfície da esfera com sinais negativos e a outra superfície tem baixo número de sinais positivos. Na parte d, a haste positiva está ausente e a esfera tem sinais negativos nela. — Figura\(\PageIndex{4}\): Carregamento por indução, usando uma conexão à terra. (a) Uma haste carregada positivamente é trazida para perto de uma esfera de metal neutra, polarizando-a. (b) A esfera é aterrada, permitindo que os elétrons sejam atraídos do amplo suprimento da Terra. (c) A conexão à terra está quebrada. (d) A haste positiva é removida, deixando a esfera com uma carga negativa induzida.

Outro método de carregamento por indução é mostrado na Figura\(\PageIndex{4}\). A esfera de metal neutro é polarizada quando uma haste carregada é trazida para perto dela. A esfera é então aterrada, o que significa que um fio condutor passa da esfera até o solo. Como a terra é grande e a maior parte do solo é um bom condutor, ela pode fornecer ou aceitar o excesso de carga facilmente. Nesse caso, os elétrons são atraídos para a esfera por meio de um fio chamado fio terra, porque ele fornece um caminho condutor para o solo. A conexão à terra é interrompida antes que a haste carregada seja removida, deixando a esfera com uma carga em excesso oposta à da haste. Novamente, uma carga oposta é alcançada ao carregar por indução e a haste carregada não perde nenhuma carga em excesso.

Objetos neutros podem ser atraídos por qualquer objeto carregado. Os pedaços de palha atraídos pelo âmbar polido são neutros, por exemplo. Se você passar um pente de plástico pelo cabelo, o pente carregado poderá pegar pedaços de papel neutros. A figura\(\PageIndex{5}\) mostra como a polarização de átomos e moléculas em objetos neutros resulta em sua atração por um objeto carregado.

Visões microscópicas dos objetos são mostradas. Uma haste positiva com sinais positivos está próxima a um isolador. As extremidades negativas de todas as moléculas do isolador estão alinhadas em direção à haste e as extremidades positivas de todas as moléculas mostradas como esferas estão afastadas da haste. Na parte b, uma haste negativa com sinais negativos está próxima a um isolador. As extremidades positivas de todas as moléculas do isolador estão alinhadas em direção à haste e as extremidades negativas de todas as moléculas mostradas como esferas estão afastadas da haste. Na parte c, uma haste com sinais negativos e um isolador com a superfície mais próxima da haste apresentam sinais positivos. A outra superfície tem sinais negativos. — Figura\(\PageIndex{5}\): Objetos positivos e negativos atraem um objeto neutro ao polarizar suas moléculas. (a) Um objeto positivo aproximado de um isolador neutro polariza suas moléculas. Há uma pequena mudança na distribuição dos elétrons que orbitam a molécula, com cargas diferentes sendo aproximadas e cargas semelhantes afastadas. Como a força eletrostática diminui com a distância, há uma atração líquida. (b) Um objeto negativo produz a polarização oposta, mas novamente atrai o objeto neutro. (c) O mesmo efeito ocorre para um condutor; como as cargas diferentes estão mais próximas, há uma atração líquida.

Quando uma haste carregada é trazida para perto de uma substância neutra, neste caso um isolante, a distribuição da carga nos átomos e moléculas é ligeiramente deslocada. A carga oposta é atraída para mais perto da haste externa carregada, enquanto a carga semelhante é repelida. Como a força eletrostática diminui com a distância, a repulsão de cargas semelhantes é mais fraca do que a atração de cargas diferentes e, portanto, há uma atração líquida. Assim, uma haste de vidro com carga positiva atrai pedaços de papel neutros, assim como uma haste de borracha com carga negativa. Algumas moléculas, como a água, são moléculas polares. As moléculas polares têm uma separação natural ou inerente de carga, embora sejam neutras em geral. As moléculas polares são particularmente afetadas por outros objetos carregados e apresentam maiores efeitos de polarização do que as moléculas com distribuições de carga naturalmente uniformes.

Verifique sua compreensão

Você pode explicar a atração da água pela haste carregada na figura abaixo?

A água que sai de uma pipeta de vidro muda seu curso quando uma haste carregada é trazida para perto dela. — Figura\(\PageIndex{6}\).

Solução

As moléculas de água são polarizadas, dando-lhes lados ligeiramente positivos e ligeiramente negativos. Isso torna a água ainda mais suscetível à atração de uma haste carregada. À medida que a água flui para baixo, devido à força da gravidade, o condutor carregado exerce uma atração líquida pelas cargas opostas no fluxo de água, puxando-a para mais perto.

EXPLORAÇÕES DE PHET: JOHN TRAVOLTAGE

Faça faíscas voarem com John Travolta. Mexa o pé de Johnnie e ele pega as cargas do tapete. Aproxime a mão da maçaneta da porta e livre-se do excesso de carga.

Resumo

A polarização é a separação de cargas positivas e negativas em um objeto neutro.
Um condutor é uma substância que permite que a carga flua livremente através de sua estrutura atômica.
Um isolador mantém a carga dentro de sua estrutura atômica.
Objetos com cargas semelhantes se repelem, enquanto aqueles com cargas diferentes se atraem.
Diz-se que um objeto condutor está aterrado se estiver conectado à Terra por meio de um condutor. O aterramento permite a transferência de carga de e para o grande reservatório terrestre.
Os objetos podem ser carregados pelo contato com outro objeto carregado e obter a mesma carga de sinal.
Se um objeto estiver temporariamente aterrado, ele poderá ser carregado por indução e obter a carga do sinal oposto.
Objetos polarizados têm suas cargas positivas e negativas concentradas em diferentes áreas, o que lhes confere uma carga não simétrica.
As moléculas polares têm uma separação inerente de carga.

Glossário

elétron livre: um elétron que está livre para se afastar de sua órbita atômica

condutor: um material que permite que os elétrons se movam separadamente de suas órbitas atômicas

isolador: um material que mantém os elétrons com segurança dentro de suas órbitas atômicas

aterrado: quando um condutor está conectado à Terra, permitindo que a carga flua livremente de e para o reservatório ilimitado da Terra

indução: o processo pelo qual um objeto eletricamente carregado aproximado de um objeto neutro cria uma carga nesse objeto

polarização: leve deslocamento de cargas positivas e negativas para lados opostos de um átomo ou molécula

repulsão eletrostática: o fenômeno de dois objetos com cargas semelhantes se repelindo