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Ónus eléctrico

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Interacções entre ónus de igual e diferente natureza.

Em física, o ónus eléctrico é uma propriedade intrínseca de algumas partículas subatómicas (perda ou ganho de electrones) que se manifesta mediante atrações e repulsiones que determinam a interacções electromagnéticas entre elas. A matéria carregada electricamente é influída pelos campos electromagnéticos sendo, a sua vez, generadora deles. A interacção entre ónus e campo eléctrico origina uma das quatro interacções fundamentais: a interacção electromagnética.

O ónus eléctrico é de natureza discreta, fenómeno demonstrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razões históricas, aos electrones atribuiu-se-lhes ónus negativo: –1, também expressada –e. Os protones têm ónus positiva: +1 ou +e. Aos quarks atribui-se-lhes ónus fraccionaria: ±1/3 ou ±2/3, ainda que não se puderam observar livres na natureza.[1]

Índice

Unidades

No Sistema Internacional de Unidades a unidade de ónus eléctrica denomina-se culombio (símbolo C). Define-se como a quantidade de ónus que passa pela secção transversal de um condutor eléctrico em um segundo, quando a corrente eléctrica é de um amperio, e se corresponde com o ónus de 6,24 × 1018 electrones aproximadamente.

História

Artigo principal: História do electromagnetismo
Experimento do cometa de Benjamín Franklin.

Desde a Antiga Grécia conhece-se que ao esfregar ámbar com uma pele, esta adquire a propriedade de atrair corpos ligeiros tais como trozos de palha]] e plumas pequenas. Sua descoberta atribui-se-lhe ao filósofo grego Tais de Mileto, quem viveu faz uns 2500 anos.[2]

O médico inglês William Gilbert (1540 - 1603) observou que alguns materiais se comportam como o ámbar ao os esfregar e que a atração que exercem se manifesta sobre qualquer corpo, ainda que não fosse ligeiro. Como o nome grego correspondente ao ámbar é elektron, Gilbert começou a utilizar o termo eléctrico para se referir a todo material que se comportava como aquele, o que originou os termos electricidade e ónus eléctrico. Ademais, nos estudos de Gilbert pode-se encontrar a diferenciación dos fenómenos eléctricos e magnéticos.[2]

A descoberta da atração e repulsión de elementos ao ligá-los com materiais eléctricos atribui-se a Stephen Gray. O primeiro em propor a existência de dois tipos de ónus é Charles du Fay, ainda que foi Benjamin Franklin quem ao estudar estes fenómenos descobriu como a electricidade dos corpos, após ser esfregados, se distribuía em certos lugares onde tinha mais atração; por isso os denominou (+) e (-).[2]

No entanto, foi só para mediados do século XIX quando estas observações foram propostas formalmente, graças aos experimentos sobre a electrólisis que realizou Michael Faraday, para 1833, e que lhe permitiram descobrir a relação entre a electricidade e a matéria; acompanhado da completa descrição dos fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, os trabalhos de Joseph John Thomson ao descobrir o electrón e de Robert Millikan ao medir seu ónus, foram de grande ajuda para conhecer a natureza discreta do ónus.[2]

Natureza do ónus

O ónus eléctrico é uma propriedade intrínseca da matéria que se apresenta de dois tipos. Estas levam agora o nome com as que Benjamin Franklin as denominou: ónus positivos e negativas.[3] Quando ónus do mesmo tipo se encontram se repelen e quando são diferentes se atraem. Com a chegada da teoria cuántica relativista, pôde-se demonstrar formalmente que as partículas, além de apresentar ónus eléctrica (seja nula ou não), apresentam um momento magnetico intrínseco, denominado "spin", que surge como consequência de aplicar a teoria da relatividad especial à mecânica cuántica.

Ónus eléctrico elementar

As investigações actuais da física apontam a que o ónus eléctrico é uma propriedade cuantizada. A unidade mais elementar de ónus encontrou-se que é o ónus que tem o electrón, isto é ao redor de 1.6 x 10-19 culombios e é conhecida como ónus elementar. O valor do ónus eléctrico de um corpo, representada como q ou Q, se mede segundo o número de electrones que possua em excesso ou em ausência.[4]

No Sistema Internacional de Unidades a unidade de ónus eléctrica denomina-se culombio (símbolo C) e define-se como a quantidade de ónus que à distância de 1 metro exerce sobre outra quantidade de ónus igual, a força de 9x109 N.

Um culombio corresponde a 6,24 × 1018 electrones.[5] O valor do ónus do electrón foi determinado entre 1910 e 1917 por Robert Andrews Millikan e na actualidade seu valor no Sistema Internacional de acordo com a última lista de constantes do CODATA publicada é:[6]

e = \frac{-1C}{6,24 \times 10^{18}} = -1,602564 \times 10^{-19} C

Como o culombio pode não ser manejable em algumas aplicações, por ser demasiado grande, se utilizam também seus submúltiplos:

1 miliculombio = \frac{1C}{1.000} = 1 mC
1 microculombio = \frac{1C}{1.000.000} = 1 \mu C

Frequentemente usa-se também o sistema CGS cuja unidade de ónus eléctrica é o Franklin (Fr). O valor do ónus elementar é então de aproximadamente 4.803 x 10–10 Fr.

Propriedades de carrega-las

Princípio de conservação do ónus

Em concordancia com os resultados experimentales, o princípio de conservação do ónus estabelece que não há destruição nem criação neta de ónus eléctrica, e afirma que em todo o processo electromagnético o ónus total de um sistema isolado se conserva.

Em um processo de electrización, o número total de protones e electrones não se altera e só há uma separação do ónus eléctricos. Por tanto, não há destruição nem criação de ónus eléctrica, isto é, o ónus total se conserva. Podem aparecer ónus eléctricas onde dantes não tinha, mas sempre fá-lo-ão de maneira que o ónus total do sistema permaneça constante. Ademais esta conservação é local, ocorre em qualquer região do espaço por pequena que seja.[3]

Ao igual que a outras leis de conservação, a conservação do ónus eléctrico está associada a uma simetría do lagrangiano, telefonema em física cuántica invariancia gauge. Assim pelo teorema de Noether à cada simetría do lagrangiano associada a um grupo uniparamétrico de transformações que deixam o lagrangiano invariante lhe corresponde uma magnitude conservada.[7] A conservação do ónus implica, ao igual que a conservação da massa, que na cada ponto do espaço se satisfaz uma equação de continuidade que relaciona a derivada da densidade de ónus eléctrica com a divergência do vector densidade de corrente eléctrica, dita equação expressa que a mudança neta na densidade de ónus ρ dentro de um volume prefixado V tanto faz à integral da densidade de corrente eléctrica J sobre a superfície S que encerra o volume, que a sua vez tanto faz à intensidade de corrente eléctrica I:

- \frac{\partial}{\partial t} \int_V \rho\, dV = \int_S \mathbf{J} \cdot \mathbf{dS} = I = - \frac{\partial Q}{\partial t}

Esta propriedade conhece-se como cuantización do ónus e o valor fundamental corresponde ao valor de ónus eléctrica que possui o electrón e ao qual lho representa como e. Qualquer ónus q que exista fisicamente, pode se escrever como \ N \times e sendo N um número inteiro, positivo ou negativo.

Por convenção representa-se ao ónus do electrón como -e, para o protón +e e para o neutrón, 0. A física de partículas postula que o ónus dos quarks, partículas que compõem a protones e neutrones Ainda que não temos uma explicação suficientemente completa de porqué o ónus é uma magnitude cuantizada, que só pode aparecer em múltiplos do ónus elementar, se propuseram diversas ideias:

  • Paul Dirac mostrou que se existe um monopolo magnético o ónus eléctrico deve estar cuantizada.
  • No contexto da teoria de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontrou que se se interpretava o campo electromagnético como um efeito secundário da curvatura de um espaço tempo de topología \mathcal{M}\times S^1, então a compacidad de S^1\, comportaria que o momento lineal segundo a quinta dimensão estaria cuantizado e daí se seguia a cuantización do ónus.

A existência de ónus fraccionarias no modelo de quarks, complica o panorama, já que o modelo regular não aclara porqué o ónus fraccionarias não podem ser livres. E só podem ser livres ónus que são múltiplos inteiros do ónus elementar.

Invariante relativista

Outra propriedade do ónus eléctrico é que é um invariante relativista. Isso quer dizer que todos o observadoré, sem importar seu estado de movimento]] e sua velocidade, poderão sempre medir a mesma quantidade de ónus.[4] Assim, a diferença da massa ou o tempo, quando um corpo ou partícula se move a velocidades comparáveis com a velocidade da luz, o valor de seu ónus não variará. O valor do ónus não varia de acordo a cuán rápido se mova o corpo que a possua.

Densidade de ónus eléctrica

Apesar de que o ónus eléctricos são cuantizadas e, portanto, múltiplos de um ónus elementar, em ocasiões o ónus eléctricos em um corpo estão tão próximas entre si, que se pode supor que estão distribuídas de maneira uniforme pelo corpo do qual fazem parte. A característica principal destes corpos é que lhos pode estudar como sim fossem contínuos, o que faz mas fácil, sem perder generalidad, seu tratamento. Distinguem-se três tipos de densidade de ónus eléctrica: lineal, superficial e volumétrica.[8]

Densidade de ónus lineal

Usa-se em corpos linealé como, por exemplo fios.

\lambda = \frac{Q}{L}

Onde Q é o ónus do corpo e L é a longitude. No Sistema Internacional de Unidades (SE) mede-se em C/m (culombios por metro).

Densidade de ónus superficial

Emprega-se para superfície (física)|superfícies]], por exemplo um ferro metálico delgada como o papel de aluminio.

\sigma = \frac{Q}{S}

onde Q é o ónus do corpo e S é a superfície. No SE mede-se em C/m2 (culombios por metro quadrado).

Densidade de ónus volumétrica

Emprega-se para corpos que têm volume.

\rho = \frac{Q}{V}

onde Q é o ónus do corpo e V o volume. No SE mede-se em C/m3 (culombios por metro cúbico).

Formas para mudar o ónus eléctrico dos corpos

Artigo principal: Electrización

Denomina-se electrización ao efeito de ganhar ou perder ónus eléctricas, normalmente electrones, produzido por um corpo electricamente neutro. Os tipos de electrificación são os seguintes:

  1. Electrización por contacto: Quando pomos um corpo carregado em contacto com um condutor se pode dar uma transferência de ónus de um corpo ao outro e assim o condutor fica carregado, positivamente se cedeu electrones ou negativamente se os ganhou.
  2. Electrización por fricción: Quando esfregamos um aislante com verdadeiro tipo de materiais, alguns electrones são transferidos do aislante ao outro material ou vice-versa, de maneira que quando se separam ambos corpos combinam com ónus opostas.
  3. Ónus por inducción: Se acercamos um corpo carregado negativamente a um condutor isolado, a força de repulsión entre o corpo carregado e os electrones de valencia na superfície do condutor faz que estes se desloquem à parte mais afastada do condutor ao corpo carregado, ficando a região mais próxima com um ónus positivo, o que se nota ao ter uma atração entre o corpo carregado e esta parte do condutor. No entanto, o ónus neto do condutor segue sendo zero (neutro).
  4. Ónus pelo Efeito Fotoeléctrico: Sucede quando se libertam electrones na superfície de um condutor ao ser irradiado por luz ou outra radiación electromagnética.
  5. Ónus por Electrólisis.
  6. Ónus por Efeito Termoeléctrico: Significa produzir electricidade pela acção do calor.

Referências

  1. ↑ Eric W. Weisstein})

    }}. «Charge» (em inglês)

    }}. Consultado o 12/02/2008.
  2. ↑ a b c d Profs. Casatroja - Ferreira () }}. «centro.htm Electrostática» }}. Consultado o 21/02/2008.
  3. ↑ a b Willians Barreto}) }}. «ciências/wbarreto/fisica21/electrodinamica/node1.html Carrega eléctrica» }}. Consultado o 26/02/2008.
  4. ↑ a b }}«Electromagnetismo e Óptica» () }}. Consultado o 27/02/2008.
  5. ↑ }}«O ónus eléctrico» () }}. Consultado o 21/02/2008.
  6. ↑ }}«The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty: elementary charge»}) }}. Consultado o 28/02/2008.
  7. ↑ María Lourdes Dominguez Carrascoso}) }}. «Simetría e leis de conservação» }}. Consultado o 26/02/2008.
  8. ↑ Universidade Michoacana de San Nicolás de Hidalgo}) }}. «ónus_electrica.htm#Densidade%20de%20ónus%20lineal Densidade de ónus eléctrica» }}. Consultado o 28/02/2008.

Veja-se também

Enlaces externos

Wikcionario

Wikilibros

em:Electric chargetenho:מטען חשמליvão:Muatan listrika:Onus electricumnão:Elektrisk ladningsimples:Electric charge

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