Os Fundamentos Experimentais e Históricos da Eletricidade

Os Fundamentos Experimentais e Históricos da Eletricidade
(paperback, 274 pages; ISBN 978-0986492617)

Andre Koch Torres Assis

From the Foreward

No in´ýcio da d´ecada de 1990 conheci o trabalho de Norberto Cardoso Ferreira, do Instituto de F´ýsica da Universidade Estadual de S˜ao Paulo, USP. Ele conseguia mostrar os aspectos mais importantes da eletricidade utilizando experiˆencias feitas com materiais muito simples e facilmente acess´ýveis. Tive a oportunidade de visit´a-lo pessoalmente na USP em 1993. Durante esta visita ele me presenteou com um pequeno conjunto de materiais experimentais feitos de cartolina, canudo de pl´astico de refresco, papel de seda, colchete, etc. Mostrou-me como realizar as experiˆencias principais, assim como seu livro Plus et Moins: Les Charges ´ Electriques.1 Fiquei fascinado com o que aprendi, percebendo como se podem ver experimentalmente coisas bem profundas de f´ýsica trabalhando com materiais facilmente acess´ýveis. Guardei este material como um tesouro durante 10 anos, embora n˜ao o tenha utilizado nem desenvolvido durante este per´ýodo. Fico extremamente grato ao Norberto Ferreira pelo que aprendi com ele. Recentemente vim a conhecer outras obras suas, como sempre ricas e criativas. Aprendi tamb´em pela discuss˜ao com seus estudantes, como Rui Manoel de Bastos Vieira e Emerson Izidoro dos Santos.

Em 2005 conheci Alberto Gaspar e seu livro Experiˆencias de Ciˆencias para o Ensino Fundamental, com o qual muito aprendi. O mesmo pode ser dito de outras obras suas que conheci depois.

Entre 2004 e 2007 ministrei aulas em cursos de aperfei¸coamento para professores da rede p´ublica do ensino fundamental e m´edio dentro do projeto Teia do Saber da Secretaria de Educa¸c˜ao do Governo do Estado de S˜ao Paulo. Foi um privil´egio muito grande ter sido convidado a atuar neste programa. O apoio que recebi por parte da Secretaria de Educa¸c˜ao e do Grupo Gestor de Projetos Educacionais da UNICAMP, assim como o contato com os alunos que participaram de minhas aulas, foram extremamente enriquecedores para mim. Tamb´em foram muito proveitosas as trocas de experiˆencias com os professores da UNICAMP que participaram deste projeto. Como parte do meu envolvimento neste projeto resolvi ensinar aos professores de ensino fundamental e m´edio aquilo que havia aprendido com o Norberto Ferreira. Com isto retomei aquelas atividades e tive uma motiva¸c˜ao adicional para escrever este livro, no sentido de compartilhar com o maior n´umero poss´ývel de pessoas todas estas coisas.

Table of Contents

Apresenta¸c˜ao e Agradecimentos 7
1 Introdu¸c˜ao 11
2 Eletriza¸c˜ao por Atrito 15
2.1 O In´ýcio do Estudo da Eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 O Efeito ˆ Ambar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Explorando a Atra¸c˜ao Exercida pelos Corpos Atritados . . . . . 22
2.4 Quais Substˆancias S˜ao Atra´ýdas pelo Pl´astico Atritado? . . . . . 22
2.5 ´E Poss´ývel Atrair L´ýquidos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Gilbert e Algumas de Suas Experiˆencias El´etricas . . . . . . . . . 27
2.7 Quais S˜ao as Substˆancias que Atraem Corpos Leves ao Serem
Atritadas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Nomenclatura de Gilbert: Corpos El´etricos e N˜ao-El´etricos . . . 31
3 O Vers´orio 35
3.1 O Perpend´ýculo de Fracastoro e o Vers´orio de Gilbert . . . . . . . 35
3.2 Constru¸c˜ao de um Vers´orio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Vers´orio do Primeiro Tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 Vers´orio do Segundo Tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 Vers´orio do Terceiro Tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Experiˆencias com o Vers´orio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 ´E Poss´ývel Mapear a For¸ca El´etrica? . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Existe A¸c˜ao e Rea¸c˜ao em Eletrost´atica? . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6 Fabri e Boyle Descobrem as A¸c˜oes El´etricas M´utuas . . . . . . . 54
3.7 Newton e a Eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Atra¸c˜oes e Repuls˜oes El´etricas 63
4.1 Existe Repuls˜ao El´etrica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 A Experiˆencia de Guericke da Penugem Flutuante . . . . . . . . 66
4.3 Du Fay Reconhece a Repuls˜ao El´etrica como um Fenˆomeno Real 73
4.4 O Pˆendulo El´etrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 O Aterramento El´etrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.6 O Pˆendulo El´etrico de Gray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3
4.7 O Vers´orio de Du Fay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.8 O Mecanismo ACR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.9 A Linha Pendular de Gray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.10 Mapeamento da For¸ca El´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.11 Hauksbee e o Mapeamento da For¸ca El´etrica . . . . . . . . . . . 97
5 Cargas Positivas e Negativas 99
5.1 Existe S´o Um Tipo de Carga? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Du Fay Descobre Dois Tipos Diferentes de Eletricidade . . . . . . 110
5.3 Qual Tipo de Carga Adquire um Corpo ao Ser Atritado? . . . . 114
5.4 A S´erie Triboel´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5 A Atra¸c˜ao e a Repuls˜ao S˜ao Igualmente Frequentes? . . . . . . . 128
5.6 Varia¸c˜ao da For¸ca El´etrica com a Distˆancia . . . . . . . . . . . . 129
5.7 Varia¸c˜ao da For¸ca El´etrica com a Quantidade de Carga . . . . . 131
6 Condutores e Isolantes 137
6.1 O Eletrosc´opio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.2 Experiˆencias com o Eletrosc´opio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3 Quais Corpos Descarregam um Eletrosc´opio por Contato? . . . . 147
6.3.1 Defini¸c˜oes de Condutores e Isolantes . . . . . . . . . . . . 147
6.3.2 Corpos que se Comportam como Condutores e Isolantes
nas Experiˆencias Usuais de Eletrost´atica . . . . . . . . . . 151
6.4 Quais Corpos Carregam um Eletrosc´opio por Contato? . . . . . . 152
6.5 Componentes Fundamentais de um Vers´orio, de um Pˆendulo El´etrico
e de um Eletrosc´opio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.6 Influˆencia da Diferen¸ca de Potencial El´etrico sobre o Comportamento
Condutor ou Isolante de um Corpo . . . . . . . . . . . . . 156
6.6.1 Corpos que se Comportam como Condutores e Isolantes
para Baixas Diferen¸cas de Potencial . . . . . . . . . . . . 160
6.7 Outros Aspectos que Influenciam no Comportamento Condutor
ou Isolante de um Corpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.7.1 O Tempo Necess´ario para Descarregar um Eletrosc´opio
Eletrizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.7.2 O Comprimento do Corpo que Entra em Contato com um
Eletrosc´opio Eletrizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.3 A ´ Area de Se¸c˜ao Reta do Corpo que Entra em Contato
com um Eletrosc´opio Eletrizado . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.8 Eletrizando um Condutor por Atrito . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.9 Conserva¸c˜ao da Carga El´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.10 Gray e a Conserva¸c˜ao da Carga El´etrica . . . . . . . . . . . . . . 169
6.11 Uma Breve Hist´oria do Eletrosc´opio e do Eletrˆometro . . . . . . 170
7 Diferen¸cas entre Condutores e Isolantes 177
7.1 Mobilidade de Cargas em Condutores e Isolantes . . . . . . . . . 177
7.2 Coletores de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3 A Polariza¸c˜ao El´etrica de Condutores . . . . . . . . . . . . . . . 181
4
7.3.1 Aepinus e a Polariza¸c˜ao El´etrica . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4 Atra¸c˜oes e Repuls˜oes Exercidas por um Corpo Polarizado . . . . 187
7.5 Carregando um Eletrosc´opio Utilizando a Polariza¸c˜ao . . . . . . 191
7.5.1 Primeiro Procedimento de Eletriza¸c˜ao por Indu¸c˜ao . . . . 191
7.5.2 Segundo Procedimento de Eletriza¸c˜ao por Indu¸c˜ao . . . . 193
7.5.3 Terceiro Procedimento de Eletriza¸c˜ao por Indu¸c˜ao . . . . 195
7.6 A Polariza¸c˜ao El´etrica de Isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.7 Um Corpo Eletrizado Atrai com Mais For¸ca um Condutor ou um
Isolante? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.7.1 Coment´arios sobre o Pˆendulo El´etrico de Gray . . . . . . 201
7.8 For¸cas de Origem N˜ao-Eletrost´atica . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.9 Modelos Microsc´opicos de Condutores e de Isolantes . . . . . . . 203
7.10 Pode Haver Atra¸c˜ao entre Dois Corpos Eletrizados com Cargas
de Mesmo Sinal? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.11 A Condutividade da ´ Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.12 ´E Poss´ývel Eletrizar a ´ Agua? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.12.1 O Gerador Eletrost´atico Gotejante de Kelvin . . . . . . . 213
7.13 A Condutividade do Ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.14 Como Descarregar um Isolante Eletrizado? . . . . . . . . . . . . 217
7.15 Um Papelzinho ´e Atra´ýdo com Mais For¸ca quando est´a sobre um
Isolante ou sobre um Condutor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8 Considera¸c˜oes Finais 225
8.1 Mudan¸ca de Nomenclatura e de Significado: De Corpos El´etricos
e N˜ao-El´etricos para Isolantes e Condutores . . . . . . . . . . . . 225
8.2 Fatos Simples e Primitivos sobre a Eletricidade . . . . . . . . . . 226
8.3 Descri¸c˜ao do Efeito ˆAmbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Apˆendices 237
A Defini¸c˜oes 237
B Stephen Gray e a Descoberta da Condu¸c˜ao El´etrica 239
B.1 O Gerador El´etrico de Gray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
B.2 A Descoberta da Eletriza¸c˜ao por Comunica¸c˜ao . . . . . . . . . . 242
B.3 Explorando a Descoberta e Despertando a Eletricidade Escondida
dos Metais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
B.4 Gray Descobre os Condutores e Isolantes . . . . . . . . . . . . . . 247
B.5 Descoberta de que S˜ao as Propriedades Intr´ýnsecas de um Corpo
que Fazem com que Ele se Comporte como um Condutor ou como
um Isolante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
B.6 Descoberta de que a Eletriza¸c˜ao por Comunica¸c˜ao Acontece `a
Distˆancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
B.7 A Experiˆencia do Garoto Suspenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
B.8 Descoberta de que as Cargas Livres se Distribuem apenas sobre
a Superf´ýcie dos Condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5
B.9 Descoberta do Efeito das Pontas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
B.10 Conclus˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Referˆencias Bibliogr´aficas 265

About the Author

André Koch Torres Assis nasceu no Brasil em 1962. Formou-se no Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, obtendo o bacharelado em 1983 e o doutorado em 1987. Passou o ano de 1988 na Inglaterra realizando um pós-doutorado no Culham Laboratory (United Kingdom Atomic Energy Authority). Passou um ano entre 1991-92 como Visiting Scholar no Center for Electromagnetics Research da Northeastern University (Boston, EUA). De Agosto de 2001 a Novembro de 2002, assim como de Fevereiro a Maio de 2009, trabalhou no Institut für Geschichte der Naturwissenschaften da Universidade de Hamburg, Alemanha, com uma bolsa de pesquisa concedida pela Fundação Alexander von Humboldt da Alemanha. É autor de diversos livros em português e inglês, dentro os quais se destacam Eletrodinâmica de Weber (1995), Cálculo de Indutância e de Força em Circuitos Elétricos (juntamente com M. Bueno, 1998), Mecânica Relacional (1998), Uma Nova Física (1999), Arquimedes, o Centro de Gravidade e a Lei da Alavanca (2008) e A Força Elétrica de uma Corrente (juntamente com J. A. Hernandes, 2009). Traduziu para o português o livro Óptica, de Isaac Newton (1996), O Universo Vermelho, de Halton Arp (juntamente com D. Soares, 2001), assim como os livros II e III da obra Principia: Princípios Matemáticos de Filosofia Natural, de Isaac Newton (2009). É professor do Instituto de Física da UNICAMP desde 1989 trabalhando com os fundamentos do eletromagnetismo, da gravitação e da cosmologia.