Átomos
Toda matéria, independente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), é composta por átomos. E um átomo, por sua vez, é composto por prótons, nêutrons e elétrons.
Um átomo é uma partícula tão minúscula que, até recentemente, não existia um instrumento (como um super-microscópio) capaz de visualizá-lo (pois ele tem o tamanho de cerca de 0,2 nanômetros, e isso é muito, muito pequeno!).
Para se ter uma ideia de como um átomo é pequeno, se fosse possível cair até o nível atômico dentro de um grão de areia, seria como pular de um avião a 2,5 km de altitude. Como nessa cena do Homem-Formiga:
Hoje já existem alguns microscópios quânticos que conseguem visualizar coisas na ordem dos picômetros.
Mas com base nos experimentos e observações dos cientistas há mais de 100 anos atrás, sem precisar de um microscópio quântico, o modelo de Rutherford-Bohr foi criado para trazer uma representação visual de um átomo. Este modelo nos ajuda a compreender a relação entre os elétrons e o núcleo atômico.
A real é que a movimentação dos elétrons em torno do núcleo não é tão perfeita como no modelo de Rutherford-Bohr, mas vamos nos ater a este modelo por ser mais didático e nos proporcionar uma boa ideia de como a eletricidade funciona.
Os prótons possuem linhas de força ao seu redor formando um campo elétrico dito como positivo. Eles repelem outros prótons, pois suas linhas de força são iguais e, portanto, incompatíveis.
Os elétrons também possuem um campo elétrico ao seu redor, mas as linhas de força tem um sentido diferente ao dos prótons. O campo elétrico dos elétrons é tido como negativo.
Já os nêutrons são partículas que não possuem campo elétrico (mas são importantes para permitir que vários prótons consigam ficar juntos no núcleo de um átomo sem que se repilam).
Elétrons repelem elétrons, mas eles se atraem a prótons, pois as linhas de força dos dois são compatíveis.
Estas mesmas linhas de força que atrai um elétron a um próton não permite que um “cole” no outro. Ou seja, faz com que o elétron sempre fique ao redor do próton, mas nunca “pregado” nele.
A força de atração entre um próton e um elétron, ou a força de repulsão entre cargas iguais são calculadas pela lei de Coulomb.
Exatamente quantos prótons e quantos elétrons um átomo possui, vai depender de qual elemento químico estamos falando.
- 1 elétron orbitando 1 próton constitui um átomo de hidrogênio.
- Se acrescentar mais 1 próton e mais 1 elétron ele se transforma em um átomo de hélio.
- Com 3 prótons e 3 elétrons temos o lítio, com 4 prótons e 4 elétrons, o berílio. Com 5 prótons e 5 elétrons, o boro… e assim os elementos químicos vão se formando.
- Observa-se que a quantidade de elétrons é igual a quantidade de prótons de um átomo. Mas nem sempre é assim! Dependendo do elemento químico, da temperatura, e de outros fatores, a quantidade de elétrons de um átomo pode ser menor que a quantidade de prótons (mesmo que temporariamente).
- Um átomo é considerado neutro quando a quantidade de prótons e elétrons estão balanceados. Mas se estiver faltando um elétron ele vai ficar sempre tentando atrair um novo elétron para voltar a ficar balanceado.
Mas se os prótons se repelem, como é possível que dois deles co-existam no núcleo, por exemplo, de um átomo de hélio? Na natureza, existem 4 tipos de forças fundamentais: gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca. Esse “nuclear” vem de núcleo, e é justamente esse tipo de força que impede a repulsão dos prótons de um átomo. Existe toda uma explicação quântica para isto, mas, em resumo, os nêutrons, apesar de não possuir carga, influenciam nesta “força nuclear forte” para manter os prótons unidos.
Observa-se que quanto mais elétrons girando em torno do núcleo, mais camadas de elétrons vão surgindo. Logo, um átomo com muitos prótons possuirá também muitos elétrons orbitando em torno dele em várias camadas diferentes (camadas mais próximas do núcleo e camadas mais distantes do núcleo).
Existem elementos químicos com quantidades exageradas de prótons, elétrons e nêutrons, como o ouro (com 79 prótons e 79 elétrons), a prata (com 47 prótons e 47 elétrons), e o cobre (com 29 prótons e 29 elétrons).
Até existem vários outros elementos químicos com muito mais elétrons e prótons, mas elementos acima de 84 prótons já são considerados elementos radioativos (devido a grande quantidade de energia retida em seus átomos), além de muitos não serem facilmente encontrados na natureza.
Os elétrons das camadas mais distantes do núcleo possui uma força de atração mais fraca, podendo se desprender do núcleo e partir para a órbita de outros átomos. Estes são os elétrons livres.
Os elétrons livres são mais presentes em materiais cujo elemento químico possui várias camadas de elétrons (como os já citados ouro, prata e cobre, por exemplo). Estes materiais que tem facilidade de comportar muitos elétrons livres são chamados de materiais condutores, e são justamente eles que são aproveitados como meio para conduzir uma movimentação intensa e uniforme em um único sentido desses elétrons para uma direção, também conhecido como corrente elétrica (vamos falar mais disso agora a pouco).
Em temperaturas normais, os elétrons livres ficam se movimentando pelo material condutor (mas sem gerar corrente, pois são movimentações aleatórias onde o espaço por um é logo ocupado por outro).
Eletricidade estática
Dependendo da tendência que um objeto tem de perder ou ganhar elétrons, caso ele seja atritado com outro material, a transferência de elétrons pode ocorrer fazendo com que um material fique com excesso de elétrons e o outro com um déficit de elétrons.
Exatamente quais materiais quando atritados irão gerar transferência de elétrons pode ser listados pela série triboelétrica:
Em tempos secos, o atrito de nossas roupas com o estofado do banco do carro pode fazer nossos corpos perderem elétrons. Ao encostar na lataria do carro, os elétrons livres da lataria tentarão repor o déficit de elétrons dos nossos corpos, gerando um choque.
Os raios são formados dentro das nuvens de tempestade devido ao acúmulo de cargas positivas na parte superior e de cargas negativas na parte inferior. Outra possibilidade são as cargas negativas acumuladas na parte inferior das nuvens se atraírem a carga positiva do solo.
Para lidar com os possíveis problemas gerados pela eletrostática no dia-a-dia (como choques ou queima de dispositivos eletrônicos sensíveis) o aterramento é a solução, oferecendo um caminho condutivo a terra (ou outro material eletricamente neutro).
- para evitar a queima de dispositivos, é recomendado o uso de pulseira eletrostática.
- caminhões tanque possuem aterramento para evitar acidentes durante abastecimento de postos de combustível.
Diferença de potencial elétrico e formação da corrente
Fontes de geração de eletricidade
Circuitos e resistência
Diagramas esquemáticos
