Indução eletrostática - Electrostatic induction

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Cientistas Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Cantor Tesla Volta Weber
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A indução eletrostática , também conhecida como "influência eletrostática" ou simplesmente "influência" na Europa e na América Latina, é uma redistribuição de carga elétrica em um objeto, causada pela influência de cargas próximas. Na presença de um corpo carregado, um condutor isolado desenvolve uma carga positiva em uma extremidade e uma carga negativa na outra. A indução foi descoberta pelo cientista britânico John Canton em 1753 e pelo professor sueco Johan Carl Wilcke em 1762. Geradores eletrostáticos , como a máquina de Wimshurst , o gerador Van de Graaff e o eletróforo , usam esse princípio. Devido à indução, o potencial eletrostático ( voltagem ) é constante em qualquer ponto ao longo de um condutor. A indução eletrostática também é responsável pela atração de objetos leves não condutores, como balões, pedaços de papel ou isopor, para cargas de eletricidade estática. As leis de indução eletrostática aplicam-se em situações dinâmicas, desde que a aproximação quasistática seja válida. A indução eletrostática não deve ser confundida com a indução eletromagnética .

Explicação

Demonstração de indução, na década de 1870. O terminal positivo de uma máquina eletrostática (direita) é colocado próximo a um cilindro de latão sem carga (esquerda) , fazendo com que a extremidade esquerda adquira uma carga positiva e a direita uma carga negativa. Os pequenos eletroscópios de bola de medula pendurados na parte inferior mostram que a carga está concentrada nas extremidades.

Uma parte normal não carregada de matéria tem um número igual de cargas elétricas positivas e negativas em cada parte dela, localizadas próximas umas das outras, então nenhuma parte dela tem uma carga elétrica líquida. As cargas positivas são os núcleos dos átomos que estão ligados à estrutura da matéria e não são livres para se mover. As cargas negativas são os elétrons dos átomos . Em objetos eletricamente condutores , como metais, alguns dos elétrons são capazes de se mover livremente no objeto.

Quando um objeto carregado é aproximado de um objeto eletricamente condutor sem carga, como um pedaço de metal, a força da carga próxima devido à lei de Coulomb causa uma separação dessas cargas internas. Por exemplo, se uma carga positiva é trazida para perto do objeto (veja a imagem do eletrodo cilíndrico perto da máquina eletrostática), os elétrons do metal serão atraídos em sua direção e se moverão para o lado do objeto voltado para ele. Quando os elétrons se movem para fora de uma área, eles deixam uma carga positiva desequilibrada devido aos núcleos. Isso resulta em uma região de carga negativa no objeto mais próximo da carga externa e uma região de carga positiva na parte afastada dele. Estes são chamados de cargas induzidas . Se a carga externa for negativa, a polaridade das regiões carregadas será invertida.

Como esse processo é apenas uma redistribuição das cargas que já estavam no objeto, ele não altera a carga total do objeto; ele ainda não tem carga líquida. Este efeito de indução é reversível; se a carga próxima for removida, a atração entre as cargas internas positivas e negativas faz com que elas se misturem novamente.

Carregar um objeto por indução

Eletroscópio em folha de ouro, mostrando indução, antes do terminal ser aterrado.

Tocar mídia

Usando um eletroscópio para mostrar a indução eletrostática. O dispositivo possui folhas / agulha que ficam carregadas ao introduzir uma haste carregada nele. As folhas dobram a folha / agulha, e quanto mais forte a estática introduzida, mais dobramento ocorre.

No entanto, o efeito de indução também pode ser usado para colocar uma carga líquida em um objeto. Se, enquanto está perto da carga positiva, o objeto acima é momentaneamente conectado por meio de um caminho condutor ao aterramento elétrico , que é um grande reservatório de cargas positivas e negativas, algumas das cargas negativas no solo fluirão para o objeto , sob a atração da carga positiva próxima. Quando o contato com o solo é interrompido, o objeto fica com uma carga líquida negativa.

Este método pode ser demonstrado usando um eletroscópio de folha de ouro , que é um instrumento para detectar carga elétrica. O eletroscópio é primeiro descarregado e um objeto carregado é então trazido para perto do terminal superior do instrumento. A indução causa uma separação das cargas dentro da haste de metal do eletroscópio , de modo que o terminal superior ganha uma carga líquida de polaridade oposta à do objeto, enquanto as folhas de ouro ganham uma carga da mesma polaridade. Como as duas folhas têm a mesma carga, elas se repelem e se espalham. O eletroscópio não adquiriu uma carga líquida: a carga dentro dele foi meramente redistribuída, então, se o objeto carregado fosse movido para longe do eletroscópio, as folhas se juntariam novamente.

Mas se um contato elétrico for feito agora brevemente entre o terminal do eletroscópio e o terra , por exemplo, tocando o terminal com um dedo, isso faz com que a carga flua do terra para o terminal, atraída pela carga no objeto próximo ao terminal. Essa carga neutraliza a carga das folhas de ouro, então as folhas se juntam novamente. O eletroscópio agora contém uma carga líquida oposta em polaridade à do objeto carregado. Quando o contato elétrico com a terra é interrompido, por exemplo, levantando o dedo, a carga extra que acabou de fluir para o eletroscópio não pode escapar e o instrumento retém uma carga líquida. A carga é mantida no topo do terminal do eletroscópio pela atração da carga indutora. Mas quando a carga indutora é afastada, a carga é liberada e se espalha por todo o terminal do eletroscópio até as folhas, de modo que as folhas de ouro se separam novamente.

O sinal da carga deixada no eletroscópio após o aterramento é sempre oposto ao da carga indutora externa. As duas regras de indução são:

• Se o objeto não estiver aterrado, a carga próxima induzirá cargas iguais e opostas no objeto.
• Se qualquer parte do objeto for momentaneamente aterrada enquanto a carga indutora estiver próxima, uma carga oposta em polaridade à carga indutora será atraída do solo para o objeto e ficará com uma carga oposta à carga indutora.

O campo eletrostático dentro de um objeto condutor é zero

Cargas superficiais induzidas em objetos de metal por uma carga próxima. O campo eletrostático (linhas com setas) de uma carga positiva próxima (+) faz com que as cargas móveis em objetos de metal se separem. Cargas negativas (azul) são atraídas e se movem para a superfície do objeto de frente para a carga externa. Cargas positivas (vermelhas) são repelidas e se movem para a superfície voltadas para o lado oposto. Essas cargas superficiais induzidas criam um campo elétrico oposto que cancela exatamente o campo da carga externa em todo o interior do metal. Portanto, a indução eletrostática garante que o campo elétrico em todo o interior de um objeto condutor seja zero.

Uma questão remanescente é quão grandes são as cargas induzidas. O movimento das cargas é causado pela força exercida sobre elas pelo campo elétrico do objeto externo carregado, pela lei de Coulomb . À medida que as cargas no objeto de metal continuam a se separar, as regiões positivas e negativas resultantes criam seu próprio campo elétrico, que se opõe ao campo da carga externa. Este processo continua até que muito rapidamente (em uma fração de segundo) um equilíbrio é alcançado no qual as cargas induzidas são exatamente do tamanho certo para cancelar o campo elétrico externo em todo o interior do objeto de metal. Então, as cargas móveis restantes (elétrons) no interior do metal não sentem mais uma força e o movimento líquido das cargas pára.

A carga induzida reside na superfície

Uma vez que as cargas móveis (elétrons) no interior de um objeto de metal são livres para se mover em qualquer direção, nunca pode haver uma concentração estática de carga dentro do metal; se houvesse, ele se dispersaria devido à sua repulsão mútua. Portanto, na indução, as cargas móveis se movem através do metal sob a influência da carga externa de tal forma que mantêm a neutralidade eletrostática local; em qualquer região interior, a carga negativa dos elétrons equilibra a carga positiva dos núcleos. Os elétrons se movem até atingirem a superfície do metal e se acumulam lá, onde são impedidos de se moverem pela fronteira. A superfície é o único local onde pode existir uma carga elétrica líquida.

Isso estabelece o princípio de que cargas eletrostáticas em objetos condutores residem na superfície do objeto. Os campos elétricos externos induzem cargas superficiais em objetos de metal que cancelam exatamente o campo interno.

A voltagem em todo um objeto condutor é constante

O potencial eletrostático ou tensão entre dois pontos é definido como a energia (trabalho) necessária para mover uma pequena carga através de um campo elétrico entre os dois pontos, dividido pelo tamanho da carga. Se houver um campo elétrico direcionado de um ponto a outro , ele exercerá uma força sobre uma carga que se move de para . O trabalho terá de ser feito na carga por uma força para fazê-la mover-se contra a força oposta do campo elétrico. Assim, a energia potencial eletrostática da carga aumentará. Portanto, o potencial no ponto é maior do que no ponto . O campo elétrico em qualquer ponto é o gradiente (taxa de mudança) do potencial eletrostático  : ${\ displaystyle \ mathbf {b}}$${\ displaystyle \ mathbf {a}}$${\ displaystyle \ mathbf {a}}$${\ displaystyle \ mathbf {b}}$${\ displaystyle \ mathbf {b}}$${\ displaystyle \ mathbf {b}}$${\ displaystyle \ mathbf {a}}$${\ displaystyle \ mathbf {E} (\ mathbf {x})}$${\ displaystyle \ mathbf {x}}$ ${\ displaystyle V (\ mathbf {x})}$

${\ displaystyle \ nabla V = \ mathbf {E} \,}$

Uma vez que não pode haver campo elétrico dentro de um objeto condutor para exercer força sobre as cargas , dentro de um objeto condutor o gradiente de potencial é zero ${\ displaystyle (\ mathbf {E} = 0) \,}$

${\ displaystyle \ nabla V = \ mathbf {0} \,}$

Outra maneira de dizer isso é que, na eletrostática, a indução eletrostática garante que o potencial (voltagem) em todo um objeto condutor seja constante.

Indução em objetos dielétricos

Fragmentos de papel atraídos por um CD carregado

Um efeito de indução semelhante ocorre em não condutores ( dielétricos objetos), e é responsável pela atração de pequenos objetos leves não condutores, como balões, pedaços de papel ou isopor , para cargas elétricas estáticas (ver gato, acima), bem como estática em roupas.

Em não condutores, os elétrons estão ligados a átomos ou moléculas e não são livres para se mover ao redor do objeto como nos condutores; no entanto, eles podem se mover um pouco dentro das moléculas. Se uma carga positiva é trazida para perto de um objeto não condutor, os elétrons em cada molécula são atraídos para ele e se movem para o lado da molécula voltado para a carga, enquanto os núcleos positivos são repelidos e se movem ligeiramente para o lado oposto da molécula. Como as cargas negativas estão agora mais próximas da carga externa do que as positivas, sua atração é maior do que a repulsão das cargas positivas, resultando em uma pequena atração líquida da molécula em direção à carga. Esse efeito é microscópico, mas como existem tantas moléculas, ele soma força suficiente para mover um objeto de luz como o isopor.

Essa mudança na distribuição de carga em uma molécula devido a um campo elétrico externo é chamada de polarização induzida , e as moléculas polarizadas são chamadas de dipolos . Isso não deve ser confundido com uma molécula polar , que possui extremidade positiva e negativa devido à sua estrutura, mesmo na ausência de carga externa. Este é o princípio de operação de um eletroscópio de esfera medular .

Notas

links externos

• Mídia relacionada à indução eletrostática no Wikimedia Commons
• “Carregamento por indução eletrostática” . Centro de preparação para o exame de regentes . Distrito escolar da cidade de Oswego. 1999. Arquivado do original em 2008-08-28 . Página visitada em 2008-06-25 .