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 9