A LEI DE COULOMB

Charles Augustin Coulomb

Nascido em: 14 de junho de 1736 em Angoulême, França.

Faleceu em: 23 de agosto de 1806 em Paris, França.

O pai de Charles Augustin Coulomb chamava-se Henry Coulomb e sua mãe foi Catherine Bajet Seus pais vieram de famílias ricas. A família de seu pai era importante no ramo da advocacia na administração de toda uma região chamada Languedoc, na França. A família de sua mãe também não ficava atrás, pois possuía bastantes riquezas e terras. Depois de morar em Angoulême, no sudoeste da França, a família de Coulomb mudou-se para Paris. Em Paris entrou para o Colégio Mazarin, onde formou-se com uma boa base em linguagem, literatura e filosofia, além de receber o melhor ensino do local em matemática, astronomia, química e botânica!

Nessa época, a educação de Coulomb teve um período de dificuldades, porque apesar do seu pai ser endinheirado, teve sérios prejuízos econômicos, perdendo toda a sua grana, o que fez com que ele se mudasse de Paris para Montpellier. A mãe de Coulomb ficou em Paris, porém Coulomb brigou com a sua mãe, porque ela queria dar palpites sobre a sua vida, então muito p... da vida, Coulomb também foi para Montpellier morar com o seu velho. Nessa época, Coulomb curtia muito matemática e astronomia e resolveu entrar para um grupo que estudava essas coisas, chamado de Sociedade das Ciências (1757). Como não devia ter coisas mais legais para fazer, Coulomb ficava o dia inteiro lá na Sociedade estudando estas matérias.

Para defender uma graninha, Coulomb resolveu entrar para a École du Génie em Mézieres, mas logo viu que o exame era muito brabo e se quisesse passar, teria que ter uma espécie de explicador ou professor particular. Finalmente em outubro de 1758, se mandou para Paris para fazer um cursinho e prestar os exames. O cara que elaborava as provas era um Fera, um tal de Camus, que elaborava todas os concursos para as escolas de artilharia e, ainda por cima, exigia que a galera que quisesse passar tinha que estudar pela sua apostila chamada Cours de mathématiques (Curso de Matemática) e o danado do Coulomb teve que ralar em cima desse curso por vários meses ainda. Mas como quem estuda sempre alcança, em 1758 Coulomb resolveu traçar a prova com farofa, ovo e banana e partiu para os exames elaborado pelo mestre Camus, conseguindo passar e se matriculando no ano de 1760 (pô o cara passou 2 anos metendo a cara). Lá na escola, ele se enturmou logo com uma rapaziada, um time de estudantes da melhor qualidade, um dos quais tinha sido até seu professor na escola de Meziéres.

Finalmente, Coulomb se formou em novembro de 1761 e agora era um engenheiro treinado com a patente de primeiro tenente. Nos 20 anos seguintes trabalhou em tudo quanto era lugar, nas funções de engenharia civil, projeto de estruturas, construção de fortes militares, mecânica dos solos e num montão de outras áreas (aahhh muleque!!!!).

Seu primeiro trampo foi num lugar chamado Brest (Europa), mas deu azar e foi transferido lá pra casa do chapéu,ou seja pras Índias ocidentais (longe pra caramba, lá na Ásia), mais precisamente, um lugar chamado Martinique.

Acontece que desde os tempos de Luís XIV (1658), a Martinique estava sob total domínio da França e vinha sendo atacada por frotas e frotas de navios de guerra. A Irlanda tentou e foi derrotada (1674), depois veio a Inglaterra, em 1693 e foi chibateada, em 1759, Inglaterra de novo e... tomou outro chocolate. Depois de muito tentar, finalmente os ingleses tomaram a Martinique em 1762 (70 anos de chinelada!!), só pra devolver pra França por causa de um tratado, chamado Tratado de Paris, em 1763. A França que não é nada otária, começou então a construir um novo forte para tornar a ilha mais segura e adivinha quem foi chamado para chefiar a construção do novo forte? O Coulomb!! A construção do Forte Bourbon durou até o ano de 1772. Nessa época Coulomb mostrou como era fera em engenharia civil, usando todo o seu conhecimento prático na organização da construção do forte, porém essas experiências iriam ser mais tarde relatadas em sua memórias, em um livro sobre mecânica. Infelizmente, Coulomb contraiu uma doença que deixou a sua saúde debilitada para o resto de sua vida.

De volta à França,Coulomb foi enviado para Bouchain, mas agora ele estava mais a fim era de escrever importantes trabalhos sobre Mecânica, apresentando seu primeiro trabalho para os grandes cientistas da sua terra, na Academia de Ciências de Paris em 1773.

O trabalho era bom demais, porque aplicava uma matemática muito sofisticada para aquela época (que hoje é conhecida como Cálculo Integral), além de ser aplicado a problemas de engenharia que na época, era uma área onde este tipo de matemática sofisticadeeeeesssimmma nem sonhava em ser aplicada.

Cheio de moral, Coulomb foi transferido para Cherbourg e enquanto morou por lá, aproveitou para escrever mais uma de suas famosas memórias, sobre a bússola magnética (instrumento de altíssima importância para as grandes navegações da época) e é claro um trabalho tão importante assim lhe rendeu o Grand Prix (Grande Prêmio) da Academia de Ciências em 1777 e é claro, um din-din de responsa.

Foi nesse ano também que Coulomb começou a trabalhar em uma engenhoca chamada balança de torção, peça fundamental para o entendimento da força que age sobre duas cargas elétricas. Nas palavras dos Críticos:

"uma simples e elegante solução para o problema de torção em cilindros,o uso da balança de torção em aplicações físicas foi importante para inúmeros físicos nos anos seguintes... Coulomb desenvolveu a teoria da torção em fios finíssimos de seda e de cabelo. Aqui, ele foi o primeiro a mostrar que torção suspensa pode dar aos físicos uma maneira de fazer medidas mais precisas de forças extremamente pequenas."

O homi era bom mesmo...

Coulomb desenvolveu outros trabalhos no campo da mecânica falando sobre atrito, porém o que mais nos interessa é o que ele fez no campo da eletricidade: em 1781, Coulomb apaixonou-se pela Física e resolveu dedicar-se inteiramente a ela, escrevendo importantes trabalhos sobre eletricidade e magnetismo entre 1785 e 1791:

"Onde obteve incríveis resultados usando a balança de torção em assuntos como: a lei de atração e repulsão, as cargas pontuais, pólos magnéticos, distribuição de eletricidade na superfície de corpos carregados e outros."

Os artigos sobre eletricidade de Coulomb embora tenham sido de grande importância, foi somente uma pequena parte de tudo o que esse homem produziu.

Coulomb produziu 25 memórias a Academia de Ciências, trabalhou com grandes gênios, entre eles Laplace,participou de 310 comitês de consultoria da Academia e em projetos de engenharia, foi educador e foi diretor do abastecimento de águas de Paris.

Finalmente, Devemos a Coulomb o renascimento da verdadeira Física na França, não uma Física somente teórica, mas sim uma Física exata e engenhosa que a tudo observa e compara com rigor.

Adaptado de J J O'Connor e E F Robertson para alunos do nosso Ensino Médio

Condutores e Isolantes

É conveniente classificar as substâncias de acordo com a sua facilidade de conduzir cargas elétricas:

Condutores elétricos são materiais nos quais as cargas elétricas movem-se livremente, enquanto que isolantes elétricos (dielétricos) são materiais nos quais as cargas elétricas não podem mover-se livremente.

Materiais como o vidro, a borracha e madeira encontram-se na categoria dos isolantes elétricos. Quando estes materiais são eletrizados por atrito, somente o local atritado torna-se eletrizado e a carga não pode move-se para outras regiões do material.

Materiais como o cobre (Cu), o alumínio (Al) e a prata (Ag) comportam-se de maneira contrária, ou seja, são bons condutores de cargas elétricas. Quando estes materiais são eletrizados em uma região, a carga elétrica rapidamente se distribui por toda a superfície do material. Se você segurar uma barra de cobre com sua mão e atritá-la com madeira ou um pedaço de couro, ela não irá atrair pequenos pedaços de papel. Isto poderia indicar que um metal não pode ser carregado. No entanto, se você colocar um cabo de madeira na barra de cobre e novamente atritar a barra segurando-a pelo cabo, a barra permanecerá carregada e atrairá os pedaços de papel.

A explicação é a seguinte: Sem o cabo de madeira isolante, a carga elétrica produzida pelo atrito rapidamente passa pela barra de cobre e atravessa o seu corpo indo para dentro da Terra. O cabo isolante de madeira evita que as cargas elétricas passem para a sua mão.

Semi-condutores são uma terceira classe de material e suas propriedades elétricas estão em algum lugar entre condutores e isolantes. O silicone é um exemplo conhecido de semi- condutor, assim como o germânio (Ge) que são utilizados no fabrico de vários componentes eletrônicos como os transistores e diodos.

Quando um condutor é conectado à Terra por meio de um fio condutor, dizemos que ele está aterrado. Por este motivo, a Terra pode ser considerada uma espécie de "ralo" que "puxa" as cargas elétricas. Entendendo este conceito, podemos aprender como carregar um condutor através de um processo conhecido como indução.

Considere uma esfera condutora (de metal) neutra e isolada do chão, conforme a figura (a), abaixo:

Quando uma barra de borracha negativamente carregada é aproximada da esfera (sem tocá-la), a região da esfera mais próxima da barra fica com um excesso de cargas positivas, enquanto que a região mais afastada da barra fica com a mesma quantidade de cargas, só que negativas (os elétrons da região mais próxima da barra foram repelidos para o outro lado da esfera. Veja no desenho abaixo)

Se a mesma experiência for realizada com um fio condutor ligando a esfera à Terra (Fig. c), alguns dos elétrons existentes no condutor serão tão fortemente repelidos pelos elétrons da barra que sairão da esfera, passarão pelo fio, indo finalmente para à Terra.

Se o fio Terra for removido (Fig d), a esfera ficará com um excesso de carga induzida positiva


Afastando a barra de borracha, as cargas positivas distribuem-se pela superfície da esfera (Fig. e).



Obs:

• A barra de borracha é chamada de indutor;
• Durante o processo, não houve perda de cargas no indutor;
• Não há contato entre a barra e a esfera.
  

Um processo parecido ocorre com os isolantes: Em muitas moléculas neutras, o centro das cargas positivas coincide com o centro das cargas negativas. Porém, em presença de um objeto carregado, este centro dentro pode se deslocar um pouco, fazendo com que haja mais cargas positivas de um lado da molécula do que do outro. Este novo realinhamento de cargas (veja figura abaixo) dentro de cada molécula produz cargas induzidas na superfície do isolante. (Processo de polarização de um isolante)

Agora você já pode explicar por que um pente de plástico (material isolante) ao ser atritado com seu cabelo atrai pequenos pedaços de papel.

• ELETROSCÓPIOS

São aparelhos que servem para verificar se um corpo está eletrizado.

São exemplos de eletroscópios:

a) Pêndulo Elétrico: É feito de uma esfera com carga neutra, um fio de seda (isolante) e uma haste.




O pêndulo funciona da seguinte maneira:

Se aproximarmos da esfera um corpo e ela for atraída por ele, então esse corpo estará carregado com cargas elétricas. Se nada acontecer, então este corpo estará neutro, isto é, sem cargas elétricas.




b) Eletroscópio de Folhas

É um dos mais usados. É constituído de uma haste h metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica E, e na parte inferior a duas folhas metálicas bem finas a e b. As duas folhas são mantidas no interior de um recipiente que pode ser uma garrafa de vidro.

Para verificarmos se um corpo está eletrizado, aproximamos o corpo da esfera E. A esfera E, a haste h e as duas lâminas a e b eletrizam-se com eletricidade do mesmo nome que a do corpo. Logo, as duas folhas a e b repelem-se.


Em seguida, assista ao filme abaixo, para melhorar o entendimento sobre eletroscópios.

Gerador Van de Graaff

O Gerador Van de Graaff

Breve História

Robert Jemison Van de Graaff (1901-1967) foi um físico americano e construiu o gerador que leva seu nome. Um fato curioso e que Van de Graaff teve aulas de radiação com Marie Curie na Universidade de Sorbonne, em Paris, no período em que esteve La, entre 1924 e 1925.

Na época, a motivação para construir um gerador de altas voltagens era que físicos experimentais, como Ernest Rutherford, precisava acelerar partículas a energias suficientemente altas para desintegrar o núcleo atômico.

O primeiro gerador, que atingia ate 80.000V, foi feito em 1929 na Universidade de Princeton, onde lecionava. Em 1933, já no Massachusetts Institute of Technology, Van de Graaff construiu um gerador muito maior, que podia chegar ate 7 milhões de volts, como mostrado na Figura abaixo.

 O gerador Van de Graaff é um gerador eletrostático que usa uma correia móvel para acumular altas voltagens em uma esfera oca de metal.

Um gerador desse tipo é um dispositivo projetado para criar eletricidade estática e torná-la disponível para experimentos.

 Van de Graaff inventou o gerador para fornecer a alta energia necessária para os primeiros aceleradores de partículas. Nos Estados Unidos, esses aceleradores de partículas eram conhecidos como esmagadores de átomos por acelerar partículas subatômicas a grandes velocidades e depois as "esmagar" contra os átomos do alvo. As colisões resultantes criavam outras partículas subatômicas e radiação de alta energia como os raios X. A capacidade de criar essas colisões de alta energia é o fundamento das físicas nuclear e de partículas.

Os geradores Van de Graaff são descritos como dispositivos eletrostáticos de corrente constante. Quando uma carga é colocada num gerador desse tipo, a corrente (amperagem) continua a mesma. É a voltagem (tensão) que varia com a carga. No caso desse gerador, conforme você se aproxima do terminal de saída (esfera) com um objeto aterrado, a voltagem diminui, mas a corrente permanece a mesma.

Um gerador Van de Graaff simples consiste de uma correia feita de borracha ou de outro material dielétrico flexível que se move sobre dois roletes de metal, sendo uma deles cercado por uma esfera oca de metal [A]. Duas escovas de metal [B] e [F] que são posicionadas respectivamente próximos a parte inferior do rolete inferior e dentro da esfera, acima do rolete superior. A escova [B] é conectada à esfera e a escova [F] a terra.

Quando o motor é ligado, o rolete inferior (carregador) começa a girar a correia. Uma vez que a correia é feita de borracha e a parte inferior do rolete é coberta com uma fita de silicone, o rolete inferior começa a acumular uma carga negativa, enquanto que a correia uma carga positiva. Você pode entender porque este desequilíbrio de cargas ocorre consultando a tabela tribo elétrica, ou seja, o silicone é mais negativo do que a borracha, logo o rolete inferior irá capturar elétrons da correia quando ela passar por ele.

É importante saber que a carga no rolete é muito mais concentrada do que a carga na correia que é relativamente grande e está em movimento; e devido a esta concentração de carga o campo elétrico no rolete é muito mais intenso do que o campo elétrico na correia na região aonde se encontram o rolete e a escova inferior. Assim, a intensa carga negativa do rolete começa a fazer duas coisas:

1.    Repelir os elétrons perto das pontas da escova inferior. Metais são bons condutores devido à mobilidade de seus elétrons. A escova agora tem as pontas dos seus fios positivamente carregadas, porque seus elétrons afastaram-se das pontas indo para a conexão com o motor (solo).

2.    As moléculas de ar começam a ser separadas de seus elétrons. Quando uma átomo é separado dos seus elétrons, ele é chamado de plasma, o quarto estado da matéria. Os elétrons do rolete ionizam (retiram elétrons) as moléculas do ar, deixando a região entre o rolete e a escova com elétrons livres e átomos do ar positivamente carregados. Os elétrons do ar são repelidos pela carga negativa do rolete, ao mesmo tempo em que são atraídos pelas cargas positivas nas pontas da escova, enquanto os átomos positivos do ar são atraídos pelo rolete negativamente carregado.

Os átomos positivamente carregados das moléculas de ar tentam mover-se para o rolete negativamente carregado, porém “batem” na correia móvel que está no meio do caminho deles, sendo então levados para cima, afastando-se do rolete, por uma correia “cheia” de cargas positivas. Enquanto existir ar entre o rolete inferior e a escova, o gerador Van der Graaff continuará a carregar a correia, teoricamente, para sempre. Infelizmente a poeira e outras impurezas do meio limitam a eletrização que se desenvolve na esfera.

Voltemos a correia: Conforme foi dito, a correia está positivamente carregada e indo em direção ao rolete superior e escova superior. Se o rolete superior for revestido com uma fita de nylon, ele irá repelir a carga positiva que se encontra na correia. Os elétrons da escova superior movem-se para as pontas de seus fios, pois são atraídos pela correia positivamente carregada. Novamente os átomos do ar são ionizados: os elétrons do ar se movem para a correia, e os átomos positivos das moléculas de ar são atraídos para a escova. Uma vez que a escova superior está conectada a parte interna da esfera, esta irá retirar toda a carga da escova, deixando-a neutra. O excesso de carga retirado irá assim se distribuir uniformemente na superfície da esfera oca, deixando-a positivamente carregada. É através desse efeito que o gerador Van de Graaff é capaz de obter enormes voltagens por causa da correia carregada que continuamente eletriza a esfera oca.

Geralmente, material neutro é utilizado no rolete superior, a fim de que a correia fique neutra após a esfera retirar o excesso de carga. O nylon usado no rolete superior (positivo na série tribo elétrica) faz com que a correia forneça mais carga positiva e depois fique com carga negativa. Esta é uma técnica usada para dobrar a sua corrente. A correia é positiva de um lado  quando se aproxima do rolete superior e negativa do outro lado, quando se aproxima do rolete inferior.

O ciclo se repete, porque a correia desce negativamente carregada, fazendo com que a esfera fique cada vez com mais carga, porém como ocorrem perdas, existe um limite para o carregamento da esfera.

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Abaixo um vídeo mostrando o funcionamento do gerador de Van de Graaff

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Nesse vídeo, podemos observar as partes do gerador