Eletrização: atrito, contato e indução
Quando estudamos carga elétrica, aprendemos que um corpo pode ficar eletrizado quando existe um desequilíbrio entre o número de prótons e elétrons. Em condições normais, um corpo é eletricamente neutro porque possui a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.
Mas como um corpo que inicialmente é neutro pode ficar carregado positiva ou negativamente?
A resposta está na transferência ou redistribuição de elétrons. Como os elétrons estão mais afastados do núcleo e podem se movimentar com muito mais facilidade do que os prótons, são eles que participam dos processos de eletrização.
Existem três formas clássicas de eletrizar um corpo: eletrização por atrito, eletrização por contato e eletrização por indução.
Embora os três processos tenham o mesmo objetivo — produzir um desequilíbrio de cargas em um corpo —, o modo como os elétrons se comportam é diferente em cada caso.
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| Comparação entre os três processos de eletrização: por atrito, por contato e por indução, destacando o movimento dos elétrons e a conservação da carga elétrica. |
O que significa eletrizar um corpo?
Eletrizar um corpo significa fazer com que ele deixe de estar eletricamente neutro e passe a apresentar uma carga elétrica resultante.
Isso pode acontecer de duas maneiras:
- o corpo recebe elétrons e fica eletrizado negativamente;
- o corpo perde elétrons e fica eletrizado positivamente.
É importante perceber que não são os prótons que normalmente passam de um corpo para outro durante esses processos. Os prótons permanecem presos aos núcleos dos átomos, enquanto os elétrons podem ser transferidos ou redistribuídos.
Recebe elétrons → carga negativa
Perde elétrons → carga positiva
Essa ideia simples será utilizada em todos os processos de eletrização estudados a seguir.
Eletrização por atrito
A eletrização por atrito ocorre quando dois materiais diferentes são atritados e, como consequência, alguns elétrons são transferidos de um material para o outro.
Imagine, por exemplo, dois materiais inicialmente neutros. Ao serem atritados, os elétrons podem passar de um deles para o outro, dependendo das características dos materiais envolvidos.
Depois do atrito, um dos corpos terá recebido elétrons e ficará negativamente eletrizado. O outro terá perdido elétrons e ficará positivamente eletrizado.
Portanto, quando consideramos os dois corpos juntos, a carga elétrica total permanece conservada.
Um corpo ganha elétrons → fica negativo
O outro perde elétrons → fica positivo
Um exemplo bastante conhecido é o atrito entre um balão e o cabelo. Dependendo dos materiais envolvidos, elétrons podem ser transferidos durante o atrito. Depois da separação, o balão e o cabelo podem apresentar cargas elétricas de sinais opostos.
É justamente por isso que um balão eletrizado pode atrair pequenos pedaços de papel ou até interagir com os cabelos.
O que realmente acontece durante o atrito?
É comum dizer simplesmente que "o atrito cria eletricidade". Essa explicação, porém, pode levar a uma interpretação errada.
O atrito não cria carga elétrica do nada. O que ocorre é uma transferência de elétrons entre os materiais.
Antes do processo, a carga total do sistema é uma determinada quantidade. Depois do processo, essa carga total continua sendo a mesma. O que mudou foi a distribuição dos elétrons entre os corpos.
Assim, a eletrização por atrito está diretamente relacionada ao princípio da conservação da carga elétrica.
Exemplo resolvido 1: eletrização por atrito
Dois corpos inicialmente neutros são atritados entre si. Após o processo, o corpo A perde elétrons e o corpo B recebe esses elétrons.
Determine o sinal da carga elétrica adquirida por cada corpo.
Resolução
O corpo A perdeu elétrons. Como os elétrons possuem carga negativa, a perda de elétrons faz com que o corpo passe a apresentar excesso de cargas positivas.
Corpo A → carga positiva
O corpo B recebeu os elétrons que foram transferidos. Portanto, passou a apresentar excesso de cargas negativas.
Corpo B → carga negativa
Assim, os corpos ficam eletrizados com sinais opostos.
Esse resultado é uma consequência direta da conservação da carga: os elétrons que saíram de um corpo foram recebidos pelo outro.
Eletrização por contato
Na eletrização por contato, um corpo eletrizado é colocado em contato com outro corpo. Se houver possibilidade de movimentação de cargas, os elétrons se redistribuem entre os corpos até que seja atingida uma nova condição de equilíbrio elétrico.
Nesse processo, os corpos precisam ter contato físico.
Considere, por exemplo, uma esfera metálica inicialmente neutra e outra esfera metálica carregada negativamente.
Quando as duas esferas são colocadas em contato, os elétrons em excesso presentes na esfera negativa podem se deslocar para a outra esfera.
Depois da separação, as cargas ficam redistribuídas entre os corpos.
Em uma situação simples envolvendo duas esferas condutoras idênticas, a carga total será compartilhada igualmente entre elas.
Exemplo resolvido 2: contato entre duas esferas
Uma esfera metálica A possui carga elétrica de:
QA = +8 μC
Outra esfera metálica B, idêntica à primeira, está inicialmente neutra:
QB = 0
As duas esferas são colocadas em contato e, depois, separadas. Determine a carga elétrica de cada esfera.
Resolução
Primeiro, calculamos a carga total do sistema. Pela conservação da carga elétrica:
Qtotal = QA + QB
Qtotal = +8 μC + 0
Qtotal = +8 μC
Como as duas esferas são idênticas, após o contato a carga total será dividida igualmente entre elas:
Q' = Qtotal / 2
Q' = +8 / 2 = +4 μC
Portanto, após o contato:
Q'A = +4 μC
Q'B = +4 μC
Observe que a carga total continua sendo +8 μC. A carga não desapareceu nem foi criada: apenas foi redistribuída entre as duas esferas.
Eletrização por indução
A eletrização por indução ocorre quando um corpo eletrizado é aproximado de um condutor inicialmente neutro, sem que haja contato entre eles. A presença do corpo carregado provoca uma redistribuição das cargas no interior do condutor.
É importante, porém, distinguir duas situações: a indução eletrostática, que corresponde à redistribuição das cargas no condutor, e a eletrização por indução, na qual essa redistribuição é utilizada, com auxílio de um aterramento, para deixar o condutor com uma carga elétrica resultante.
Indução eletrostática: as cargas se redistribuem
Imagine uma esfera metálica inicialmente neutra e um corpo com carga negativa sendo aproximado de um dos lados da esfera, sem tocá-la.
Como os elétrons livres do metal possuem carga negativa, eles são repelidos pelo corpo negativo. Por isso, deslocam-se para a região da esfera que fica mais distante do corpo carregado.
Com isso, ocorre uma separação das cargas dentro da esfera:
- a região mais próxima do corpo negativo fica com deficiência de elétrons, apresentando predominância de cargas positivas;
- a região mais distante fica com excesso de elétrons, apresentando predominância de cargas negativas.
Apesar dessa separação, a esfera continua com carga elétrica total igual a zero. Nenhuma carga foi transferida para fora ou para dentro da esfera; os elétrons apenas se redistribuíram em seu interior.
Esse fenômeno é chamado de indução eletrostática ou polarização eletrostática do condutor.
Portanto:
Indução eletrostática → redistribuição das cargas, sem alterar a carga total do condutor.
Eletrização por indução: o condutor adquire carga
Para que o condutor realmente adquira uma carga elétrica resultante, é necessário permitir a movimentação de elétrons entre o condutor e a Terra.
Considere novamente uma esfera metálica neutra e um corpo carregado negativamente.
1. Aproximação do corpo carregado
O corpo negativo é aproximado da esfera, sem tocá-la.
Os elétrons livres da esfera são repelidos e se deslocam para o lado oposto. A esfera fica polarizada, mas sua carga total ainda é zero.
2. Ligação da esfera à Terra
Mantendo o corpo negativo próximo, a esfera é conectada à Terra por meio de um condutor.
A Terra funciona como um grande reservatório de cargas. Como os elétrons presentes na esfera são repelidos pelo corpo negativo, parte deles pode se deslocar da esfera para a Terra.
Nesse momento, a esfera perde elétrons e passa a apresentar uma deficiência de elétrons.
3. Desligamento da Terra
Ainda mantendo o corpo negativo próximo, a ligação entre a esfera e a Terra é interrompida.
Essa etapa é fundamental. Ao desligar a esfera da Terra antes de afastar o corpo indutor, impede-se que os elétrons retornem pelo caminho de ligação com o solo.
4. Afastamento do corpo indutor
Somente depois de interromper a ligação com a Terra, o corpo negativo é afastado.
Com o afastamento do corpo indutor, os elétrons restantes se redistribuem pela superfície da esfera.
Como a esfera perdeu elétrons durante o processo, ela permanece com carga positiva.
Corpo indutor negativo → esfera eletrizada positivamente
Observe que o corpo carregado utilizado como indutor não precisou tocar na esfera. A carga da esfera foi obtida por meio da redistribuição das cargas e da transferência de elétrons entre a esfera e a Terra.
E se o corpo indutor fosse positivo?
O raciocínio é semelhante, mas o sentido da movimentação dos elétrons seria invertido.
Ao aproximar um corpo positivamente carregado de um condutor neutro, os elétrons livres do condutor seriam atraídos para a região mais próxima do corpo positivo.
Ao conectar o condutor à Terra, elétrons poderiam fluir da Terra para o condutor, atraídos pela carga positiva que está próxima.
Depois de desligar a conexão com a Terra e afastar o corpo indutor, o condutor permaneceria com excesso de elétrons e, portanto, com carga negativa.
Corpo indutor positivo → esfera eletrizada negativamente
Indução eletrostática × eletrização por indução
Essa distinção é essencial para não confundir os dois conceitos.
| Fenômeno | O que acontece? | Carga total do condutor |
|---|---|---|
| Indução eletrostática | As cargas se redistribuem dentro do condutor devido à presença de uma carga externa. | Permanece nula se o condutor estava inicialmente neutro e não houve transferência de carga. |
| Eletrização por indução | O condutor é polarizado e, com auxílio do aterramento, ocorre transferência de elétrons. | O condutor termina eletrizado. |
Assim, apenas aproximar uma carga de um condutor neutro não é suficiente para eletrizar permanentemente o condutor. Nesse caso, ocorre apenas uma redistribuição das cargas.
Para obter a eletrização por indução, é necessário utilizar o processo completo, envolvendo aproximação do indutor, aterramento, desligamento da Terra e, por fim, afastamento do indutor.
A eletrização por indução é diferente das duas anteriores porque o corpo que será eletrizado não precisa entrar em contato com o corpo carregado.
Nesse processo, um corpo eletrizado é aproximado de um condutor inicialmente neutro. A presença da carga externa provoca uma redistribuição das cargas elétricas dentro do condutor.
Esse fenômeno é chamado de indução eletrostática.
Imagine uma esfera metálica inicialmente neutra e um corpo carregado negativamente aproximado de um de seus lados.
Os elétrons livres presentes na esfera são repelidos pela carga negativa que se aproxima. Como consequência, eles se afastam para o lado oposto da esfera.
Assim, a região mais próxima do corpo negativo fica com deficiência de elétrons, enquanto a região mais distante apresenta maior concentração de elétrons.
A esfera continua tendo carga total igual a zero nesse momento. O que ocorreu foi uma separação das cargas.
Esse fenômeno é chamado de polarização.
Polarização não é o mesmo que eletrização
Essa diferença é muito importante.
Quando aproximamos um corpo carregado de um condutor neutro, sem estabelecer uma conexão adequada com a Terra ou outro reservatório de cargas, ocorre apenas uma redistribuição interna das cargas.
O corpo continua com carga total nula.
Para que o corpo condutor adquira uma carga líquida permanente por indução, é necessário permitir a entrada ou saída de elétrons, normalmente utilizando uma ligação com a Terra.
Como funciona a eletrização por indução?
Podemos compreender o processo em etapas.
1. Aproximação do corpo eletrizado
Um corpo carregado é aproximado de um condutor inicialmente neutro, sem que os dois entrem em contato.
A presença do corpo carregado provoca uma redistribuição dos elétrons no condutor.
2. Separação das cargas
As cargas de sinais opostos ficam mais próximas do corpo indutor, enquanto as cargas de mesmo sinal tendem a se afastar.
O condutor continua eletricamente neutro como um todo, mas passa a apresentar regiões com maior concentração de cargas positivas e negativas.
3. Ligação com a Terra
Mantendo o corpo indutor próximo, estabelece-se uma ligação entre o condutor e a Terra.
Como a Terra pode fornecer ou receber uma grande quantidade de elétrons, ocorre uma movimentação de cargas entre o condutor e o solo.
O sentido dessa movimentação depende do sinal da carga do corpo indutor.
4. Desfazendo a ligação com a Terra
Depois que as cargas necessárias foram transferidas, a ligação com a Terra é interrompida enquanto o corpo indutor ainda permanece próximo.
Isso impede que os elétrons retornem pelo caminho que acabamos de interromper.
5. Afastamento do corpo indutor
Por fim, o corpo carregado que estava próximo é afastado.
As cargas presentes no condutor se redistribuem por sua superfície e o corpo permanece eletrizado.
O ponto fundamental é que o corpo indutor não precisou tocar no condutor.
Exemplo resolvido 3: indução eletrostática
Uma esfera metálica inicialmente neutra é aproximada de um corpo carregado negativamente. Em seguida, a esfera é conectada à Terra, a conexão é desfeita e, por último, o corpo negativo é afastado.
Determine o sinal da carga final adquirida pela esfera.
Resolução
Quando o corpo negativo é aproximado, seus elétrons repelem os elétrons livres da esfera metálica. Esses elétrons se afastam da região próxima ao corpo negativo.
Ao conectar a esfera à Terra, elétrons podem deixar a esfera e passar para o solo, pois já existe um excesso de elétrons sendo repelido pela presença do corpo negativo.
Depois que a ligação com a Terra é interrompida, a esfera fica com deficiência de elétrons.
Quando o corpo negativo é finalmente afastado, os elétrons restantes se redistribuem pela esfera.
Carga final da esfera → positiva
Portanto, a esfera adquire carga positiva por indução.
Comparando os três processos de eletrização
Os três processos podem produzir um corpo eletrizado, mas existe uma diferença fundamental entre eles.
| Processo | Ocorre contato? | O que acontece com os elétrons? |
|---|---|---|
| Atrito | Sim, entre os materiais que são atritados | Há transferência de elétrons de um material para outro |
| Contato | Sim | Os elétrons se redistribuem entre os corpos em contato |
| Indução | Não entre o indutor e o corpo eletrizado | As cargas se redistribuem e, com aterramento, ocorre transferência de elétrons |
Uma maneira simples de não confundir os processos
Uma boa forma de diferenciar os três processos é prestar atenção ao que acontece fisicamente entre os corpos.
Se dois materiais são atritados: pense em transferência de elétrons.
Se um corpo carregado toca outro: pense em redistribuição de cargas por contato.
Se um corpo carregado apenas se aproxima de um condutor: pense primeiro em separação das cargas. Se houver aterramento e as etapas forem realizadas corretamente, podemos produzir uma eletrização permanente por indução.
O papel dos condutores na eletrização
Os processos de eletrização estão diretamente relacionados às propriedades dos materiais.
Nos condutores, existem cargas que podem se movimentar com relativa facilidade. Por isso, a redistribuição de elétrons ocorre quando um corpo condutor é colocado em contato com outro corpo carregado ou submetido à indução eletrostática.
Já nos isolantes, os elétrons estão mais fortemente ligados aos átomos ou moléculas, dificultando seu movimento pelo material.
Isso ajuda a explicar por que determinados materiais são facilmente eletrizados por atrito e por que outros apresentam comportamento diferente.
Portanto, o estudo da eletrização está diretamente relacionado ao conteúdo anterior sobre condutores e isolantes.
Conservação da carga durante a eletrização
Independentemente do processo utilizado, é importante lembrar que a carga elétrica total de um sistema isolado se conserva.
Na eletrização por atrito, por exemplo, um corpo perde exatamente os elétrons que o outro recebe.
Na eletrização por contato, a carga total dos corpos antes do contato é igual à carga total depois da separação.
Na indução com aterramento, elétrons podem ser transferidos entre o corpo e a Terra. Por isso, para analisar a conservação da carga, é necessário considerar a Terra como parte do sistema.
Assim, a eletrização não significa criação de carga elétrica. Trata-se de uma transferência ou redistribuição de cargas.
Exemplo resolvido 4: identificando o processo de eletrização
Analise as situações abaixo e identifique o processo de eletrização envolvido.
a) Um bastão é atritado com um pedaço de tecido e, após o atrito, ambos apresentam cargas de sinais opostos.
b) Uma esfera metálica carregada toca uma segunda esfera metálica inicialmente neutra.
c) Um corpo carregado é aproximado de uma esfera metálica neutra, provocando uma separação das cargas no interior da esfera.
Resolução
Na situação a, existe atrito entre dois materiais e ocorre transferência de elétrons. Portanto, trata-se de eletrização por atrito.
Na situação b, existe contato direto entre os corpos e ocorre redistribuição de cargas. Portanto, trata-se de eletrização por contato.
Na situação c, o corpo carregado apenas se aproxima do condutor e provoca uma separação das cargas. Trata-se de indução eletrostática. Se houver aterramento e as etapas adequadas, poderá ocorrer a eletrização permanente por indução.
O que aprendemos sobre eletrização?
A eletrização acontece quando um corpo passa a apresentar um desequilíbrio de cargas elétricas. Nos processos estudados, os elétrons são os principais responsáveis pelas mudanças na carga dos corpos.
Na eletrização por atrito, ocorre transferência de elétrons entre materiais diferentes.
Na eletrização por contato, um corpo carregado entra em contato com outro e ocorre redistribuição das cargas.
Na eletrização por indução, a aproximação de um corpo carregado provoca uma separação das cargas em um condutor. Com o uso de aterramento, é possível produzir uma carga líquida permanente sem que o corpo indutor toque no condutor.
Em todos esses processos, permanece uma ideia fundamental: a carga elétrica não é criada nem destruída; ela é transferida ou redistribuída.
Compreender essa diferença entre os processos de eletrização é essencial para avançar no estudo da eletrostática. Depois de entender como os corpos podem adquirir cargas, podemos investigar uma questão ainda mais importante:
qual é a intensidade da força elétrica entre duas cargas?
Essa pergunta nos leva diretamente à Lei de Coulomb.
Continue seus estudos em Eletromagnetismo
Agora que você compreendeu como os corpos podem ser eletrizados, o próximo passo é estudar a força que atua entre as cargas elétricas.