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18.8: Aplicações da eletrostática

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    objetivos de aprendizagem

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Cite várias aplicações reais do estudo da eletrostática.

    O estudo da eletrostática tem se mostrado útil em muitas áreas. Este módulo abrange apenas algumas das muitas aplicações da eletrostática.

    O gerador Van de Graaff

    Os geradores Van de Graaff (ou Van de Graaffs) não são apenas dispositivos espetaculares usados para demonstrar alta tensão devido à eletricidade estática, eles também são usados para pesquisas sérias. O primeiro foi construído por Robert Van de Graaff em 1931 (com base nas sugestões originais de Lord Kelvin) para uso em pesquisas de física nuclear. A figura\(\PageIndex{1}\) mostra um esquema de uma grande versão de pesquisa. Van de Graaffs utiliza superfícies lisas e pontiagudas e condutores e isoladores para gerar grandes cargas estáticas e, portanto, grandes tensões.

    Um excesso de carga muito grande pode ser depositado na esfera, porque ela se move rapidamente para a superfície externa. Limites práticos surgem porque os grandes campos elétricos polarizam e eventualmente ionizam os materiais circundantes, criando cargas livres que neutralizam o excesso de carga ou permitem que ele escape. No entanto, voltagens de 15 milhões de volts estão dentro dos limites práticos.

    O esquema do gerador Van de Graaff é mostrado. As partes dos geradores mostrados incluem um condutor, isolador, correia não condutora, fonte de íons e área experimental.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Esquema do gerador Van de Graaff. Uma bateria (A) fornece carga positiva excessiva a um condutor pontiagudo, cujos pontos pulverizam a carga em uma correia isolante móvel próxima à parte inferior. O condutor pontiagudo (B) na parte superior da esfera grande capta a carga. (O campo elétrico induzido nos pontos é tão grande que remove a carga da correia.) Isso pode ser feito porque a carga não permanece dentro da esfera condutora, mas se move para sua superfície externa. Uma fonte de íons dentro da esfera produz íons positivos, que são acelerados para longe da esfera positiva para altas velocidades.

    EXPERIMENTO PARA LEVAR PARA CASA: ELETROSTÁTICA E UMIDADE

    Passe um pente no cabelo e use-o para levantar pedaços de papel. Pode ser útil rasgar os pedaços de papel em vez de cortá-los com cuidado. Repita o exercício em seu banheiro depois de tomar um longo banho e o ar no banheiro estiver úmido. É mais fácil obter efeitos eletrostáticos em ar seco ou úmido? Por que papel rasgado seria mais atraente para o pente do que papel cortado? Explique suas observações.

    Xerografia

    A maioria das copiadoras usa um processo eletrostático chamado xerografia — uma palavra cunhada das palavras gregas xeros para seco e graphos para escrever. O cerne do processo é mostrado de forma simplificada na Figura\(\PageIndex{2}\). Um tambor de alumínio revestido com selênio é pulverizado com carga positiva a partir de pontos em um dispositivo chamado corotron. O selênio é uma substância com uma propriedade interessante: é um fotocondutor. Ou seja, o selênio é um isolante quando está no escuro e um condutor quando exposto à luz.

    Na primeira etapa do processo de xerografia, o tambor condutor de alumínio é aterrado para que uma carga negativa seja induzida sob a fina camada de selênio uniformemente carregado positivamente. No segundo estágio, a superfície do tambor é exposta à imagem do que deve ser copiado. Onde a imagem é clara, o selênio se torna condutor e a carga positiva é neutralizada. Em áreas escuras, a carga positiva permanece e, portanto, a imagem foi transferida para o tambor.

    O terceiro estágio pega um pó preto seco, chamado toner, e o pulveriza com uma carga negativa para que ele seja atraído para as regiões positivas do tambor. Em seguida, um pedaço de papel em branco recebe uma carga positiva maior do que no tambor, para que ele puxe o toner do tambor. Finalmente, o papel e o toner retido eletrostaticamente passam por rolos de pressão aquecidos, que derretem e aderem permanentemente o toner às fibras do papel.

    Quatro estágios da xerografia são mostrados. É mostrado um tambor de alumínio com carga positiva que está aterrado. No segundo estágio, a imagem está sendo transferida para ela, criando uma imagem positiva. No terceiro estágio, o toner carregado negativamente é conectado ao tambor e, no quarto estágio, o toner é puxado pelo papel que está altamente carregado.
    Figura\(\PageIndex{2}\): A xerografia é um processo de cópia a seco baseado em eletrostática. As principais etapas do processo são o carregamento do tambor fotocondutor, a transferência de uma imagem criando uma duplicata de carga positiva, a atração do toner pelas partes carregadas do tambor e a transferência do toner para o papel. Não são mostrados o tratamento térmico do papel e a limpeza do tambor para a próxima cópia.

    Impressoras a laser

    As impressoras a laser usam o processo xerográfico para criar imagens de alta qualidade em papel, empregando um laser para produzir uma imagem no tambor fotocondutor, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\). Em sua aplicação mais comum, a impressora a laser recebe saída de um computador e pode obter uma saída de alta qualidade devido à precisão com que a luz laser pode ser controlada. Muitas impressoras a laser processam informações significativas, como criar letras ou fontes sofisticadas, e podem conter um computador mais poderoso do que aquele que fornece os dados brutos a serem impressos.

    Um mecanismo de impressora a laser é exibido. O feixe de laser produzido a partir de um computador, laser ou óptica incide no tambor que contém alguma imagem.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Em uma impressora a laser, um feixe de laser é digitalizado em um tambor fotocondutor, deixando uma imagem de carga positiva. As outras etapas para carregar o tambor e transferir a imagem para o papel são as mesmas da xerografia. A luz laser pode ser controlada com muita precisão, permitindo que as impressoras a laser produzam imagens de alta qualidade.

    Impressoras a jato de tinta e pintura eletrostática

    A impressora a jato de tinta, comumente usada para imprimir textos e gráficos gerados por computador, também emprega eletrostática. Um bocal produz um spray fino de pequenas gotículas de tinta, que recebem então uma carga eletrostática (Figura\(\PageIndex{4}\)). Uma vez carregadas, as gotículas podem ser direcionadas, usando pares de placas carregadas, com grande precisão para formar letras e imagens em papel. As impressoras a jato de tinta podem produzir imagens coloridas usando um jato preto e três outros jatos com cores primárias, geralmente ciano, magenta e amarelo, da mesma forma que uma televisão colorida produz cores (isso é mais difícil com a xerografia, exigindo vários tambores e toners).

    Um mecanismo de impressora a jato de tinta é exibido. A tinta é projetada a partir do bocal de tinta e passa pelos eletrodos de carga, movendo-se pela placa de deflexão e, finalmente, imprimindo no papel.
    Figura\(\PageIndex{4}\): O bocal de uma impressora a jato de tinta produz pequenas gotículas de tinta, que são pulverizadas com carga eletrostática. Vários dispositivos acionados por computador são então usados para direcionar as gotículas para as posições corretas em uma página.

    A pintura eletrostática emprega carga eletrostática para pulverizar tinta em superfícies de formatos estranhos. A repulsão mútua de cargas semelhantes faz com que a tinta voe para longe de sua fonte. A tensão superficial forma quedas, que são então atraídas por cargas diferentes para a superfície a ser pintada. A pintura eletrostática pode atingir locais de difícil acesso, aplicando uma camada uniforme de forma controlada. Se o objeto for um condutor, o campo elétrico é perpendicular à superfície, tendendo a trazer as gotas para dentro perpendicularmente. Os cantos e pontos dos condutores receberão tinta extra. O feltro também pode ser aplicado.

    Precipitadores de fumaça e limpeza de ar eletrostática

    Outra aplicação importante da eletrostática é encontrada em purificadores de ar, grandes e pequenos. A parte eletrostática do processo coloca carga excessiva (geralmente positiva) na fumaça, poeira, pólen e outras partículas no ar e, em seguida, passa o ar por uma grade de carga oposta que atrai e retém as partículas carregadas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Grandes precipitadores eletrostáticos são usados industrialmente para remover mais de 99% das partículas das emissões de gases de chaminé associadas à queima de carvão e petróleo. Os precipitadores domésticos, geralmente em conjunto com o sistema doméstico de aquecimento e ar condicionado, são muito eficazes na remoção de partículas poluentes, irritantes e alérgenos.

    (a) Esquema de um precipitador eletrostático. O ar passa por grades de carga oposta. A primeira grade carrega partículas transportadas pelo ar, enquanto a segunda as atrai e as coleta. (b) O efeito dramático dos precipitadores eletrostáticos é visto pela ausência de fumaça desta usina. [alt] O esquema de um precipitador eletrostático é mostrado. Quatro filtros são mostrados um após o outro. O ar passa pelo filtro inicial, depois pela rede carregada positivamente, depois pela terceira grade que está carregada negativamente e, finalmente, pela grade final. O número de partículas é mostrado diminuindo à medida que o ar passa por vários filtros.
    Figura\(\PageIndex{5}\): (a) Esquema de um precipitador eletrostático. O ar passa por grades de carga oposta. A primeira grade carrega partículas transportadas pelo ar, enquanto a segunda as atrai e as coleta. (b) O efeito dramático dos precipitadores eletrostáticos é visto pela ausência de fumaça desta usina. (crédito: Cmdalgleish, Wikimedia Commons)

    ESTRATÉGIAS DE RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS PARA ELETROSTÁTICA

    1. Examine a situação para determinar se a eletricidade estática está envolvida. Isso pode envolver cargas estacionárias separadas, as forças entre elas e os campos elétricos que elas criam.
    2. Identifique o sistema de interesse. Isso inclui observar o número, os locais e os tipos de cobranças envolvidas.
    3. Identifique exatamente o que precisa ser determinado no problema (identifique as incógnitas). Uma lista escrita é útil. Determine se a força de Coulomb deve ser considerada diretamente; nesse caso, pode ser útil desenhar um diagrama de corpo livre usando linhas de campo elétrico.
    4. Faça uma lista do que é dado ou pode ser inferido do problema conforme declarado (identifique os conhecidos). É importante distinguir a força de Coulomb\(\mathbf{F}\) do campo elétrico\(\mathbf{E}\), por exemplo.
    5. Resolva a equação apropriada para a quantidade a ser determinada (a desconhecida) ou desenhe as linhas do campo conforme solicitado.
    6. Examine a resposta para ver se ela é razoável: faz sentido? As unidades estão corretas e os números envolvidos são razoáveis?

    O exemplo prático a seguir ilustra como essa estratégia é aplicada:

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Acceleration of a Charged Drop of Gasoline

    Se não forem tomadas medidas para aterrar uma bomba de gasolina, a eletricidade estática pode ser colocada na gasolina ao encher o tanque do carro. Suponha que uma pequena gota de gasolina tenha uma massa de\(4.00\times 10^{-15}kg\) e receba uma carga positiva de\(3.20\times 10^{-19}C\). (a) Encontre o peso da gota. (b) Calcule a força elétrica na queda se houver um campo elétrico ascendente de força\(3.00\times 10^{5} N/C\) devido a outra eletricidade estática nas proximidades. (c) Calcule a aceleração da queda.

    Estratégia

    Para resolver um problema de conceito integrado, devemos primeiro identificar os princípios físicos envolvidos e identificar os capítulos nos quais eles se encontram.

    As soluções a seguir para cada parte do exemplo ilustram como as estratégias específicas de solução de problemas são aplicadas. Isso envolve identificar conhecidos e incógnitos, verificar se a resposta é razoável e assim por diante.

    Solução para (a)

    O peso é a massa vezes a aceleração devido à gravidade, conforme expresso pela primeira vez em

    \[w=mg.\]

    Ao inserir a massa dada e a aceleração média devido à gravidade, obtém-se

    \[\begin{align*} w &=(4.00\times 10^{-15}kg)(9.80m/s^{2}) \\[5pt] &= 3.92\times 10^{-14}N.\end{align*} \]

    Discussão para (a)

    Este é um peso pequeno, consistente com a pequena massa da queda.

    Solução para (b)

    A força que um campo elétrico exerce sobre uma carga é dada pela reorganização da seguinte equação:

    \[F=qE. \nonumber \]

    Aqui recebemos a carga (\(3.20\times 10^{-19}C\)é o dobro da unidade fundamental de carga) e a intensidade do campo elétrico, e assim se descobre que a força elétrica é

    \[\begin{align*} F&=(3.20\times 10^{-19}C)(3.00\times 10^{5}N/C) \\[5pt] &=9.60\times 10^{-14}N. \end{align*} \]

    Discussão para (b)

    Embora seja uma força pequena, é maior do que o peso da queda.

    Solução para (c)

    A aceleração pode ser encontrada usando a segunda lei de Newton, desde que possamos identificar todas as forças externas que atuam na queda. Assumimos que apenas o peso da queda e a força elétrica são significativos. Como a queda tem uma carga positiva e o campo elétrico é dado para cima, a força elétrica é ascendente. Portanto, temos um problema unidimensional (direção vertical) e podemos afirmar a segunda lei de Newton como

    \[a=\dfrac{F_{net}}{m}. \nonumber\]

    onde\(F_{net}=F-w\). Inserir esse e os valores conhecidos na expressão da segunda lei de Newton resulta

    \[\begin{align*} a &=\dfrac{F-w}{m} \\[5pt] &=\dfrac{9.60\times 10^{-14}N-3.92\times 10^{-14}N}{4.00\times 10^{-15}kg} \\[5pt] &= 14.2m/s^{2}. \end{align*} \]

    Discussão para (c)

    Essa é uma aceleração ascendente grande o suficiente para levar a queda a lugares onde você talvez não queira ter gasolina.

    Este exemplo prático ilustra como aplicar estratégias de resolução de problemas a situações que incluem tópicos em diferentes capítulos. O primeiro passo é identificar os princípios físicos envolvidos no problema. O segundo passo é resolver o desconhecido usando estratégias familiares de resolução de problemas. Eles são encontrados em todo o texto, e muitos exemplos úteis mostram como usá-los para tópicos individuais. Neste exemplo de conceitos integrados, você pode ver como aplicá-los em vários tópicos. Você achará essas técnicas úteis em aplicações da física fora de um curso de física, como em sua profissão, em outras disciplinas científicas e na vida cotidiana. Os problemas a seguir desenvolverão suas habilidades na ampla aplicação dos princípios físicos.

    RESULTADOS NÃO RAZOÁVEIS

    Os exercícios de resultados irracionais para este módulo têm resultados irracionais porque alguma premissa não é razoável ou porque algumas das premissas são inconsistentes umas com as outras. Os princípios físicos aplicados corretamente produzem resultados irracionais. O objetivo desses problemas é praticar a avaliação de se a natureza está sendo descrita com precisão e se não é para rastrear a origem da dificuldade.

    ESTRATÉGIA DE RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS

    Para determinar se uma resposta é razoável e para determinar a causa, caso contrário, faça o seguinte.

    1. Resolva o problema usando as estratégias descritas acima. Use o formato seguido nos exemplos trabalhados no texto para resolver o problema normalmente.
    2. Verifique se a resposta é razoável. É muito grande ou muito pequeno, ou tem o sinal errado, unidades impróprias e assim por diante?
    3. Se a resposta não for razoável, procure o que especificamente poderia causar a dificuldade identificada. Normalmente, a maneira pela qual a resposta não é razoável é uma indicação da dificuldade. Por exemplo, uma força de Coulomb extremamente grande pode ser devida à suposição de uma carga separada excessivamente grande.

    Resumo

    • Eletrostática é o estudo de campos elétricos em equilíbrio estático.
    • Além da pesquisa usando equipamentos como um gerador Van de Graaff, existem muitas aplicações práticas da eletrostática, incluindo fotocopiadoras, impressoras a laser, impressoras a jato de tinta e filtros de ar eletrostáticos.

    Glossário

    Gerador Van de Graaff
    uma máquina que produz uma grande quantidade de excesso de carga, usada para experimentos com alta tensão
    eletrostática
    o estudo das forças elétricas estáticas ou lentas
    fotocondutor
    uma substância que é isolante até ser exposta à luz, quando se torna condutora
    xerografia
    um processo de cópia a seco baseado em eletrostática
    aterrado
    conectado ao solo com um condutor, de modo que a carga flua livremente de e para a Terra para o objeto aterrado
    impressora a laser
    usa um laser para criar uma imagem fotocondutora em um tambor, que atrai partículas de tinta seca que são enroladas em uma folha de papel para imprimir uma cópia de alta qualidade da imagem
    impressora a jato de tinta
    pequenas gotículas de tinta pulverizadas com uma carga elétrica são controladas por placas eletrostáticas para criar imagens em papel
    precipitadores eletrostáticos
    filtros que aplicam cargas às partículas no ar e, em seguida, atraem essas cargas para um filtro, removendo-as da corrente de ar