Os Fundamentos Experimentais e Históricos da Eletricidade

276 Pages·2010·4.086 MB·Portuguese

by  André Koch Torres Assis

Os Fundamentos Experimentais e Históricos da Eletricidade é

um livro que lida com os aspectos fundamentais da física.
O
Descreve as principais experiências e descobertas da história da s
eletricidade. Começa com o efeito âmbar, que é análogo à F Andre Koch Torres Assis
experiência usual de atrair papeizinhos com um plástico u
n
atritado no cabelo. Mostra-se como construir e utilizar diversos d
instrumentos elétricos: versório, pêndulo elétrico, eletroscópio a
m
e coletores de carga. Discute-se a atração e a repulsão elétrica,
e
o mecanismo ACR (atração, contato e repulsão), assim como as n
t
cargas positivas e negativas. Analisa-se detalhadamente os o
s
conceitos de condutores e de isolantes, assim como as

E
principais diferenças nos comportamentos destes dois tipos de
x
substâncias. Parte-se sempre das observações experimentais p
e
para então ir construindo os conceitos, as definições e as leis que descrevem estes fenômenos. r
i
Todas as experiências são descritas com clareza e realizadas m
com materiais simples, baratos e facilmente acessíveis. Sempre e
n
que possível são apresentados aspectos históricos relacionados
t
com os fenômenos que estão sendo analisados, juntamente com a
i
s
citações relevantes dos principais cientistas que trabalharam

e
com estes assuntos. É feita uma análise detalhada das obras de
H
Stephen Gray (1666-1736), o grande cientista inglês que
i
s
descobriu os condutores e isolantes, assim como algumas de t
ó
suas principais propriedades. Uma ampla bibliografia é incluída
r
no final da obra. ic
o
s

d
a

E
Sobre o Autor l
e
André Koch Torres Assis nasceu no Brasil em 1962. Formou-se no t
r
Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas – i
c
UNICAMP, obtendo o bacharelado em 1983 e o doutorado em 1987. id
Passou o ano de 1988 na Inglaterra realizando um pós-doutorado no a
d
Culham Laboratory (United Kingdom Atomic Energy Authority). e

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, A
s Os Fundamentos
1998), Mecânica Relacional (1998), Uma Nova Física (1999), Arquimedes, o Centro de Gravidade e s
i
a Lei da Alavanca (2008) e A Força Elétrica de uma Corrente s
(juntamente com J. A. Hernandes, 2009). Traduziu para o português
o livro Óptica, de Isaac Newton (1996), O Universo Vermelho, de
Experimentais e
Halton Arp (juntamente com D. Soares, 2001), assim como os
livros II e III da obra Principia: ISBN 978-0-9864926-1-7
Princípios Matemáticos de ,!7IA9I6-ejcgbh!
Filosofia Natural, de Isaac
Históricos da
Newton (2009). É professor do
A
Instituto de Física da UNICAMP p
desde 1989 trabalhando com os e
i
fundamentos do r
o Eletricidade
eletromagnetismo, da gravitação n
e da cosmologia.
Os Fundamentos Experimentais
e Históricos da Eletricidade

Andre Koch Torres Assis

Apeiron
Montreal
Published by C. Roy Keys Inc.
4405, rue St-Dominique
Montreal, Quebec H2W 2B2 Canada
http://redshift.vif.com
© Andre Koch Torres Assis, 2010.
First Published 2010

Library and Archives Canada Cataloguing in Publication
Assis, André Koch Torres, 1962-
Os fundamentos experimentais e históricos da eletricidade / André Koch
Torres Assis.

Translation of: The experimental and historical foundations of electricity.
Includes bibliographical references.
ISBN 978-0-9864926-1-7

1. Electricity--Experiments. 2. Electricity--History. I. Title.

QC533.A88167 2010 537'.078 C2010-900626-7

Capa da frente: Experiência de Guericke (1602-1686) publicada em seu livro
de 1672. Uma esfera de enxofre é atritada com a mão. Uma penugem é solta
sobre a esfera, entra em contato com ela e passa a ser repelida. Ela fica então
flutuando sobre a esfera.

Capa de trás: Fotografias de alguns instrumentos descritos neste livro. Um
versório metálico. Um versório de Du Fay feito de plástico e tendo em uma das
pontas papel de alumínio. Um pêndulo elétrico com um disco de papel
suspenso por um fio de seda, com o fio preso em um canudo plástico. Um ele-
troscópio eletrizado com sua tirinha de papel afastada da cartolina, sendo que a
cartolina está presa a um canudo plástico.
Sum´ario
Apresenta¸c˜ao e Agradecimentos 7
1 Introdu¸c˜ao 11
2 Eletriza¸c˜ao por Atrito 15
2.1 O In´ıcio do Estudo da Eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 O Efeito Aˆmbar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Explorando a Atra¸c˜ao Exercida pelos Corpos Atritados . . . . . 22
2.4 Quais Substˆancias S˜ao Atra´ıdas pelo Pl´astico Atritado? . . . . . 22
2.5 E´ Poss´ıvelAtrair L´ıquidos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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´ıculo de Fracastoroe 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´ıvelMapear 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 Mu´tuas . . . . . . . 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 ComponentesFundamentaisdeumVers´orio,deumPˆenduloEl´etrico
e de um Eletrosc´opio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.6 Influˆencia da Diferen¸ca de Potencial El´etrico sobre o Comporta-
mento 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 OComprimentodoCorpoqueEntraemContatocomum
Eletrosc´opio Eletrizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.3 A A´rea 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˜aoEl´etrica de Condutores . . . . . . . . . . . . . . . 181
4
7.3.1 Aepinus e a Polariza¸c˜aoEl´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˜aoEl´etrica de Isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.7 UmCorpoEletrizadoAtraicomMaisFor¸caumCondutorouum
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 A´gua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.12 E´ Poss´ıvelEletrizar a A´gua?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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´ıdocom Mais For¸ca quando esta´ sobre um
Isolante ou sobre um Condutor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8 Considera¸c˜oes Finais 225
8.1 Mudan¸cadeNomenclaturaedeSignificado: DeCorposEl´etricos
e N˜ao-El´etricospara Isolantes e Condutores . . . . . . . . . . . . 225
8.2 Fatos Simples e Primitivos sobre a Eletricidade . . . . . . . . . . 226
8.3 Descri¸c˜ao do Efeito Aˆmbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 ExplorandoaDescobertaeDespertandoaEletricidadeEscondida
dos Metais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
B.4 Gray Descobre os Condutores e Isolantes. . . . . . . . . . . . . . 247
B.5 Descoberta de que S˜ao as PropriedadesIntr´ınsecasde um Corpo
queFazemcomqueEleseComportecomoumCondutoroucomo
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´ıcie dos Condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5
B.9 Descoberta do Efeito das Pontas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
B.10 Conclus˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Referˆencias Bibliogr´aficas 265
6
Apresenta¸c˜ao e
Agradecimentos
Noin´ıciodad´ecadade1990conheciotrabalhodeNorbertoCardosoFerreira,do
Instituto de F´ısica da Universidade Estadual de S˜ao Paulo,USP. Ele conseguia
mostrar os aspectos mais importantes da eletricidade utilizando experiˆencias
feitas commateriaismuito simples e facilmente acess´ıveis. Tive a oportunidade
de visit´a-lo pessoalmente na USP em 1993. Durante esta visita ele me presen-
teou 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 E´lectriques.1 Fiquei fascinado com o que aprendi, percebendo como
se podem ver experimentalmente coisas bem profundas de f´ısica trabalhando
com materiais facilmente acess´ıveis. Guardei este material como um tesouro
durante 10 anos, embora n˜ao o tenha utilizado nem desenvolvido durante este
per´ıodo. Fico extremamente grato ao Norberto Ferreira pelo que aprendi com
ele. Recentemente vim a conhecer outras obras suas, como sempre ricas e cria-
tivas.2 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,3 com o qual muito aprendi. O mesmo pode ser dito de
outras obras suas que conheci depois.4
Entre2004e2007ministreiaulasemcursosdeaperfei¸coamentoparaprofes-
soresda rede pu´blica do ensino fundamental e m´edio dentro do projeto Teia do
1[FM91].
2[Fer78],[Fera],[Ferb],[Ferc],[Ferd],[Fer06],[Fer01c],[Fer01d],[Fer01b]e[Fer01a].
3[Gas03].
4[Gas91]e[Gas96].
7
Saber da Secretaria de Educa¸c˜ao do Governo do Estado de S˜ao Paulo. Foi um
privil´egiomuitograndetersidoconvidadoaatuarnesteprograma. Oapoioque
recebiporpartedaSecretariadeEduca¸c˜aoedoGrupoGestordeProjetosEdu-
cacionaisda UNICAMP, assimcomo o contato comos alunosque participaram
deminhasaulas,foramextremamenteenriquecedoresparamim. Tamb´emforam
muito proveitosas as trocas de experiˆencias com os professores da UNICAMP
queparticiparamdesteprojeto. Comopartedomeuenvolvimentonesteprojeto
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 nu´mero poss´ıvelde pessoas todas estas coisas.
A inspira¸c˜ao para a maior parte das experiˆencias descritas neste livro foi
tirada das obras originais, assim como dos trabalhos de Norberto Ferreira e de
Alberto Gaspar. Desde ent˜ao descobri diversas outras obras impressas e na
internet que tˆem sido fundamentais para o meu aprendizado, como o site Feira
de Ciˆencias, de Luiz Ferraz Netto.5
JohnL.Heilbronsugeriumudan¸casimportantesemrela¸c˜ao`aprimeiraversa˜o
destelivro. Suagrandeobra,Electricityinthe17thand18thCenturies: AStudy
in Early Modern Physics,6 forneceu a maior parte das informa¸c˜oes hist´oricas
citadas aqui. Muitas sugest˜oes relevantes para melhorar uma vers˜ao anterior
desta obra tamb´em foram dadas por S´ergio Luiz Bragatto Boss, John Eichler,
Steve Hutcheon, Fabio Miguel de Matos Ravanelli e Bertrand Wolff.
As Figuras foram feitas por Daniel Robson Pinto, atrav´es de uma Bolsa
TrabalhoconcedidapeloServi¸codeApoio aoEstudantedaUNICAMP,aoqual
agradecemos. O Daniel auxiliou tamb´em na obten¸c˜ao de imagens e referˆencias.
Agrade¸coaindaadiversasoutraspessoasporsugest˜oes,discuss˜oes,corre¸co˜es
e referˆencias: Christine Blondel, Paolo Brenni, Jo˜ao Jos´e Caluzi, Juliano Ca-
millo, Hugo Bonette de Carvalho, Jo˜ao Paulo Martins de Castro Chaib, Asit
Choudhuri, Roberto Clemente, Junichiro Fukai, Hans Gaab, Robert Harry van
Gent, Harald Goldbeck-L¨owe, Ju¨rgen Gottschalk, Peter Heering, Elizabeth Ih-
rig,JohnJenkins,SiegfriedKett,EllenKuhfeld, WolfgangLange,LinLiu,Jos´e
Joaqu´ınLunazzi,CenoPietroMagnaghi,EduardoMeirelles,MahmoudMelehy,
DennisNawrath,MarcosCesarDanhoniNeves,HorstNowacki,MartinPanusch,
Jos´e Rafael Boesso Perez, Karin Reich, Edson Eduardo Reinehr, Ricardo Ro-
drigues,WaldyrAlves RodriguesJr.,TorstenRu¨ting, DirceuTadeudoEsp´ırito
Santo, Wayne M. Saslow, Fernando Lang da Silveira, Moacir Pereira de Souza
Filho, Christian Ucke, Alvaro Vannucci, Geraldo Magela Severino Vasconcelos,
Greg Volk, Karl-Heinrich Wiederkehr, Bernd Wolfram e Gudrun Wolfschmidt.
Ao Instituto de F´ısica, ao Instituto de Matem´atica, ao Grupo Gestor de
ProjetosEducacionaise aoFundo de Apoioao Ensino,`a Pesquisae `a Extensa˜o
da UNICAMP, que forneceram as condi¸c˜oes necess´arias para a realiza¸c˜aodeste
trabalho. Agrade¸co tamb´em ao Instituto de Hist´oria das Ciˆencias Naturais da
UniversidadedeHamburgo,Alemanha,e`aFunda¸c˜aoAlexandervonHumboldt,
5[Net].
6[Hei99].
8
daAlemanha,porumaBolsaPesquisanoanode2009duranteaqualcoletamos
uma grande quantidade de material bibliogr´afico relacionado com este livro.
Roy Keys, o Editor de Apeiron, tem me apoiado por muitos anos. Sem o
seu encorajamento alguns de meus livros talvez n˜ao tivessem sido publicados.
Ele fez um trabalho editorial excelente para esta obra.
Andr´e Koch Torres Assis
Instituto de F´ısica
Universidade Estadual de Campinas—UNICAMP
13083-970Campinas, SP, Brasil
E-mail: [email protected]
Homepage: www.ifi.unicamp.br/˜assis
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