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Evidências do elétron
Nessas aulas vamos investigar:1)Carga elétrica
2)Energia elétrica3)Potencial elétrico
4)Hipótese de Arrhenius5)Hipótese de Faraday
6)Experimento de Thomson7)Experimento de Millikan
8)Modelo de Thomson
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Carga Elétrica
Ao friccionar um bastão a uma estopa vemos que ele atrai pedecinho de papel.
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Carga elétrica
Se dois bastões forem friccionadas por um tecido de seda, vemos que eles repelem entre si
porém atraem o tecido.
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Cargas elétricas
Atribuimos ao material uma carga elétrica e essa carga pode ser positiva ou negativa, a
convenção foi adoptada por Benjamin Franklin.
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Cargas elétricas
A carga elétrica pode ser medida por um eletroscópio e a unidade no SI é o coulomb (C)
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Força e energia potencial elétrica
Coulomb determinou uma expressão para a força elétrica no seu experimento de torção.
F12=kq1 q2
r2
k=8,988×109 N .m2/C2
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Força e energia potencial elétrica
Podemos contabilizar o trabalho necessário para trazer uma carga q do infinito até uma distância
R de uma carga Q, esse trabalho será:
W=F12 R=kqQ
R2R=
kqQR
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Energia potencial elétrica
Dizemos que existe uma energia potencial elétrica na qual está amarzenada na carga em presença de outra. Se soltarmos a carga ela vaii realizar trabalho e transformas a energia
potencial em cinética.
U ( R )=kqQ
R
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Campo elétrico
Como um objeto carregado exerce uma força em outro objeto carregado, podemos dizer que
esse objeto carregado produz em sua volta um campo de forças chamado de campo elétrico. Se dois ou mais objetos estiverem carregados, o campo elétrico gerado será a soma de cada.
E⃗
F⃗ =q
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Potencial elétrico
Dois objetos carregados geram um potencial elétrico para um terceiro objeto. Assim temos uma diferença de potencial entre os objetos.
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Potencial elétricoO valor desse potencial é proporcional a
diferença de cargas e a constante de proporcionalidade é a capacitância.
O potencial tem como unidade no SI o volt V e, muitas vezes, é chamado de tensão.
No exemplo usaremos duas placas paralelas.
Q=CV
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Potencial de placas paralelas
Verificamos que na região central de um capacitor de placas paralelas o campo elétrico
é constante e aponta para direção perpendicular. Seu valor depende da tensão aplicada às placas e a distância entre elas.
V=Ed
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Tipos de materiais
Quanto a mobilidade de cargas, observamos dois tipos de materiais,:
IsolantesCondutores
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Isolantes
Os materiais isolantes não conduz cargas elétricas e, portanto, não conduz eletricidade.
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Condutores
Condutores são materiais que conduzem eletricidade.
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Corrente elétrica
Caso dois objetos que possuam cargas e forem separados por um material condutor, as cargas
se moverão até que os objetos tenham a mesma carga. Nesse movimento haverá uma
corrente elétrica entre os objetos.
I=Qt
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Corrente elétrica
A unidade de corrente no SI é ampere A. A corrente elétrica será proporcional ao potencial.
V=RI
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Materiais supercondutores
Há determinados mateirais que ao se submetido à temperaturas baixas tem sua resistência indo
a zero tornando supercondutores.
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Fontes de eletricidade
Das diversas fontes de eletricidade, podemos citar:Atrito
QuímicaTérmica
Mecânicaem todas a ideia é de transformação de energia.
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Fonte mecânica
Um fenômeno muito interessante é a indução magnética, tendo um ímã podemos produzir corrente elétrica acelerando esse ímã. Dessa
forma podemos carregar um objeto.
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Efeito contrário
É possível fazer o contrário, ao variar uma corrente elétrica numa espira produzimos campo magnético. Tendo, portanto, um
eletroímã ou um motor elétrico.
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Força magnética
Esses efeitos é fruto da ação do campo magnético e de como ele gera força num objeto
carregado.
F mag =qvBsin (O )
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Fontes químicas
Alessandro Volta observou a existência de corrente elétrica quando, em uma célula, duas
placas de metais diferentes são colocados numa solução de ácido sulfúrico.
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Dissociação eletrolítica
Com uma pilha observamos que, ao diluir sal em água, vemos que há corrente elétrica
passando, porém quando colocamos açúcar não observamos.
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Hipótese de Arrhenius
Para explicar esse fato, Arrhenius propôs que o açúcar ou o sal se dividem em moléculas
menores quando estão em solução de água. Na dissociação do sal as moléculas são chamados de íons: carregadas positivamente, cátions, e
negativamente, ânions.
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Eletrólise
Para entendermos melhor o que acontece, vemos no processo de eletrólise a hipótese de Arrhenius.
Mas o que vem a ser e- ?
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Leis de Faraday
Ao observar a eletrólise Faraday formulou as seguintes leis:
1)A massa de uma substância produzida por um catodo ou anodo de uma eletrólise é proporcional
a carga passada na célula.2)As massas de diferentes substâncias
produzidas pela mesma carga são proporcionais a massa equivalente das substâncias.
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Número de Faraday
Dessas leis supomos que para a produção de 1mol de substância foi usado 1mol de carga
elétrica, e a quantidade de carga contida nesse mol é o número de Faraday multiplicado pela
valência do íon.
F=96 .490C/mol
Q=znF
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Hipótese do elétron
Como 1mol de cargas foram usados para a eletrólise de 1mol de substância, leva-nos crer
que esse mol de cargas seja o número de Avogadro de uma partícula com uma
determinada carga. A eletricidade existe em unidades discretas e essa partícula começou a
ser chamada de elétron por Stoney.
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Exercício
Calcule a relação carga/massa do íon Ag+. Explique como o valor poderia ser determinado
por meio de um experimento de eletrólise.
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Mais exercícios
a) Na eletrólise do NaCl, quantos litros de Cl2 são
gerados por uma corrente de 15,5A por um período de 75min.
b) Qual a quantidade de matéria de NaOH formada na solução durante esse período?
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Mais um
a) Quantos segundos se leva para produzir 5 litros de H
2 medidos a 725torr e 23°C pela
eletrólise da água usando uma corrente de 1,5A?
b) Quantos gramas de O2 são produzidos ao
mesmo tempo?
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Raios catódicos
Em um tubo de vidro com uma pressão interna muito baixa é colocado uma placa paralela e essa submetida a uma tensão de 10.000V.
Observamos um raio que percorre por dentro do tubo em linha reta até atingir um material
fluorescente.
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Experimento de Perrin
Perrin coletou parte dos raios que saíam do anôdo e observou que a carga do coletor era negativa. Por isso ele concluiu que o feixe era
de partículas carregadas negativamente.
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Experimento de ThomsonThomson acoplou ao tubo de raios catódicos um
ímã para produzir uma força magnética e um capacitor para produzir uma força contrária a
força magnética. Ajustando o potencial no capacitor ele pode controlar o desvio do feixe até a situação sem desvio obtendo com isso a
velocidade das partículas do feixe.
v=6×107m /s
v=EB
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Experimento de Thomson
Observando os desvios que os raios faziam quando a tensão no capacitor mudava, ele
obteve uma razão entre a massa e a carga do elétron. Hoje sabemos que essa razão é de:
em
=1,75×1011C / g
http://www.youtube.com/watch?v=4aKMsMs-5tc
em
=2yv2
Ed 12
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Exercício
Elétrons são acelerados em um tubo de raios catódicos onde é aplicado uma diferença de
potencial de 10.000 V entre o catodo e o anodo.a) Com que velocidade um
elétron estaria ao atingir o anodo? b) Faça um esboço do que ocorreria indicando o
catodo e o anodo, a direção do campo e a direção da força aplicada sobre os elétrons.
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Experimento de Millikan
Podemos estimar através do experimento de Thomson e com a constante de Faraday a
massa e a carga do elétron. Porém foi somente com o experimento de Millikan que pudemos ter
a carga e a massa do elétron diretamente.
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Experimento de Millikan
No experimeto, uma gota de óleo cai em uma câmara. Com a ultilização de um campo elétrico
podemos cessar a queda da gota.
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Experimento de Millikan
No equilíbrio temos na direção vertical,
F e−P=0
qE−mg=0
q=mgd
VE=
Vd
http://www.cheneliere.info/cfiles/complementaire/Chimie_generale_9782765104889/video/chap2/Experience_Millikan_ANG.swf
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Experimento de MillikanEm vários experimentos com diferentes gotas, ele
determinou valores como:
q=ne
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Experimento de Millikan
Dessa forma ele concluiu que cada gota tinha um número inteiro de elétrons a menos. E como os valores da carga da gota eram múltiplos de um valor, ele pode afirmar que esse valor é a carga
do elétron.
e=−1,60217646×10−19C
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Exercício
Numa reconstrução do experimento de Millikan, as gotas formadas atravessam um capacitor
cuja distância entre as placas é de 1cm e que está submetido a uma tensão V. Suponha que a densidade do óleo seja de 0,8g/cm³ , que o
diâmetro de uma gota seja de 1 μm e que esta gota esteja carregada com dois elétrons
excedentes.a) Esboce o aparato indicando a direção do
campo elétrico e das forças que agem na gota.b) Qual deve ser a tensão para que a gota
carregada permaneça suspensa em repouso?
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Massa do elétron
Conhecida a carga o elétron pudemos ultilizar o experimento de Thomson para determinar a
massa do elétron.
me=0,91083×10−30 kg
me=1
1837mH
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Modelo Atômico de Thomson
Visto que os elétrons são partículas e que o átomos podem gerar elétrons. Thomson propôs
um modelo estável para o átomo na qual os elétrons estavam dentro de uma geléia
carregada positivamente, ficando conhecido como modelo do pudim de passas.
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O que vem por aí
Porém o modelo de Thomson tinha problemas pois como arranjar uma geléia positiva e os
elétrons numa região do espaço?
A descoberta do raio X, a radiação de certos materiais e o experimento de Rutherford
mudaram essa história trazendo mais problemas que solução.