Estrutura Atômica e a Lei de Coulomb: Fundamentos para a Eletrônica

Angelo Luis Ferreira | 30/12/2024 Acessos: 76

2.1. Os Átomos e Suas Estruturas

Os átomos são as unidades básicas da matéria e desempenham um papel essencial na eletrônica, especialmente nos estudos dos circuitos elétricos. Para compreender como a eletricidade se comporta em materiais e circuitos, é essencial entender a estrutura dos átomos e como ela se relaciona com os fenômenos elétricos.

Suas estruturas internas — núcleo e eletrosfera — e suas interações determinam características como condutividade, cargas elétricas e os fenômenos observados em circuitos elétricos.

2.1.1. A Estrutura do Átomo

O átomo é composto por três partículas principais:

• Prótons:

  • Partículas carregadas positivamente.
  • Localizam-se no núcleo do átomo.
  • Determinam o número atômico e, portanto, a identidade do elemento químico.

• Nêutrons:

  • Partículas neutras, sem carga elétrica.
  • Também estão no núcleo e ajudam a estabilizar a carga positiva dos prótons.

• Elétrons:

  • Partículas carregadas negativamente.
  • Movem-se ao redor do núcleo em regiões chamadas de camadas eletrônicas ou níveis de energia.
  • São os principais responsáveis pelos fenômenos elétricos, pois podem se mover entre átomos e criar correntes elétricas.

Os átomos possuem duas partes principais:

• Núcleo:

  • Contém prótons (carga positiva) e nêutrons (sem carga).
  • O núcleo concentra quase toda a massa do átomo.
  • Os prótons determinam o número atômico, que define o elemento químico.

• Eletrosfera:

  • Região ao redor do núcleo onde os elétrons (carga negativa) se movem.
  • Os elétrons orbitam o núcleo em camadas ou níveis de energia, que possuem capacidade limitada de elétrons.
  • A fórmula 2n² (equação de Rydberg) calcula o número máximo de elétrons em cada camada, onde $n$ é o número da camada:
    • 1ª camada (K): 2 elétrons
    • 2ª camada (L): 8 elétrons
    • 3ª camada (M): 18 elétrons
    • 4ª camada (N): 32 elétrons

• • Entretanto, a equação de Rydberg se imprecisa para níveis de energia elevados (n=>5), devido a limitações no modelo de Bohr e interações quânticas mais complexas. Hoje, modelos mais avançados e correções tornam possível entender melhor os desvios observados experimentalmente.

• • Camada de valência de um átomo é a camada mais externa da eletrosfera, onde estão localizados os elétrons de maior energia. Esses elétrons, chamados de elétrons de valência, desempenham um papel fundamental nas propriedades químicas do átomo, pois são eles que participam das interações químicas, como a formação de ligações. Elementos do mesmo grupo na Tabela Periódica têm o mesmo número de elétrons de valência, o que lhes confere propriedades químicas semelhantes.

Exemplos:

• Hidrogênio (H):
  • Prótons: 1, Nêutrons: 0, Elétrons: 1 (na camada K).
  • Como possui apenas um elétron na camada de valência, o hidrogênio é o átomo mais simples e é altamente reativo, pois a última camada não está completa.

• Hélio (He):
  • Prótons: 2, Nêutrons: 2, Elétrons: 2 (camada K preenchida).
  • O hélio é estável porque sua única camada está completa.

• Cobre (Cu):
  • Prótons: 29, Nêutrons: 29, Elétrons: 29.
  • Possui 1 elétron livre na camada de valência, o que o torna um excelente condutor elétrico.

2.1.2. Átomos Estáveis e Instáveis (Voláteis)

• Átomos Estáveis:
  • São aqueles com a última camada de elétrons (camada de valência) preenchida, como os gases nobres (exemplo: hélio).
  • Não tendem a ganhar ou perder elétrons.

• Átomos Instáveis (ou Voláteis):
  • Possuem camadas de valência incompletas.
  • São propensos a ganhar, perder ou compartilhar elétrons, como o hidrogênio (que pode compartilhar seu único elétron) ou o cobre (cujo elétron de valência é facilmente liberado).
  • Quanto menor a porcentagem de elétrons em relação ao número máximo permitido na camada de valência, mais instáveis e voláteis tendem a ser os átomos.

2.1.3. Átomos neutros

Um átomo neutro é aquele que possui o mesmo número de prótons (cargas positivas) em seu núcleo e de elétrons (cargas negativas) em sua eletrosfera. Como as cargas positivas e negativas se equilibram, o átomo não apresenta carga elétrica líquida, ou seja, é eletricamente neutro.

Características do Átomo Neutro

• Equilíbrio de Cargas:
  • No estado neutro, a quantidade de prótons (p⁺) no núcleo é igual à quantidade de elétrons (e⁻) na eletrosfera.
  • Exemplo:
    • Hidrogênio (H): 1 próton e 1 elétron (+1 − 1= 0).
    • Hélio (He): 2 prótons e 2 elétrons (+2 −2 = 0).

• Frequente no Estado Fundamental:

  • Átomos encontrados na natureza geralmente estão em seu estado neutro.
  • No entanto, ao ganhar ou perder elétrons, o átomo pode se tornar um íon (ânions ou cátions).

• Importância na Eletrônica:

  • Átomos neutros podem se tornar carregados em materiais condutores ou semicondutores, quando submetidos a diferenças de potencial ou estímulos externos.

2.1.4. Tendências de um átomo ganhar ou perder elétrons

A tendência de um átomo ganhar ou perder elétrons está relacionada à sua configuração eletrônica e ao conceito de camada de valência (a camada mais externa de elétrons). Essa tendência segue algumas regras gerais baseadas na estabilidade química e na busca de atingir o octeto completo (configuração eletrônica estável, com 8 elétrons na camada de valência). Vamos explorar os fatores principais:

. Regra do Octeto

• • Átomos tendem a ganhar, perder ou compartilhar elétrons para completar a camada de valência máxima com 8 elétrons.
  • Exemplos:
    • Sódio (Na): Tem 1 elétron na camada de valência. É mais fácil perder 1 elétron do que ganhar 7 para atingir o octeto.
    • Cloro (Cl): Tem 7 elétrons na camada de valência. É mais fácil ganhar 1 elétron do que perder 7.

. Energia de Ionização

• • É a energia necessária para remover um elétron de um átomo.
  • Átomos com poucos elétrons na camada de valência (como metais) têm menor energia de ionização e, portanto, perdem elétrons mais facilmente.
  • Átomos com camadas quase completas (como não-metais) têm alta energia de ionização e resistem a perder elétrons.

. Afinidade Eletrônica

• • Medida da energia liberada quando um átomo ganha um elétron.
  • Não-metais, como o oxigênio e o cloro, possuem alta afinidade eletrônica, pois ganhar elétrons completa sua camada de valência.
  • Metais, por outro lado, têm baixa afinidade eletrônica.

. Eletropositividade e Eletronegatividade

• • Eletropositividade: A tendência de um átomo perder elétrons. É comum em metais como sódio e potássio.
  • Eletronegatividade: A tendência de um átomo atrair elétrons. É alta em elementos como flúor e oxigênio.

. Tamanho do Átomo (Raio Atômico)

• • Átomos maiores (como metais alcalinos) têm seus elétrons de valência mais afastados do núcleo, com menor atração eletrostática, o que facilita a perda de elétrons.
  • Átomos menores (como halogênios) têm alta atração entre o núcleo e os elétrons, favorecendo o ganho de elétrons.

. Configuração Eletrônica Inicial

• • Átomos com camadas completas ou semicompletas são mais estáveis e têm baixa tendência de perder ou ganhar elétrons.
  • Exemplos:
    • Gases nobres, como o hélio e o neônio, possuem camadas de valência completas, tornando-os quimicamente inertes.

Resumindo as Tendências

• Perder elétrons:

  • Metais (grupos 1 e 2 da Tabela Periódica) como sódio (Na) e cálcio (Ca).
  • Tendem a formar cátions (Na⁺, Ca²⁺).

• Ganhar elétrons:

  • Não-metais (grupos 16 e 17) como oxigênio (O) e cloro (Cl).
  • Tendem a formar ânions (O²⁻, Cl⁻).

Aplicação em Eletrônica

No contexto da eletrônica:

• Metais, como o cobre, perdem elétrons facilmente e formam uma "nuvem" de elétrons livres, sendo excelentes condutores.
• Não-metais, como o silício em semicondutores, podem ganhar ou compartilhar elétrons em interações controladas, permitindo o funcionamento de dispositivos como transistores e diodos.

Essas regras básicas explicam por que determinados elementos são usados em diferentes papéis na eletrônica, como condutores, isolantes ou semicondutores.

A estrutura do átomo na eletrônica

A estrutura do átomo, com suas cargas e níveis de energia, é o alicerce da eletrônica. A interação entre cargas, regida por princípios como a Lei de Coulomb, explica fenômenos fundamentais em circuitos elétricos, como a formação de corrente, resistência e capacitância. Compreender essas bases ajuda a analisar e projetar sistemas eletrônicos de forma mais eficaz.

2.1.5. Carga elétrica

Alguns átomos têm a capacidade de doar elétrons, enquanto outros podem receber elétrons. Quando essa transferência de elétrons ocorre, o equilíbrio entre as cargas positivas e negativas, que inicialmente era igual, é rompido. Como resultado, um dos corpos passa a ter um excesso de elétrons, enquanto o outro fica com uma deficiência de elétrons.

O corpo que ganha elétrons adquire uma carga com polaridade negativa, pois agora possui mais elétrons do que prótons. Por outro lado, o corpo que perde elétrons fica com uma carga com polaridade positiva, devido à ausência de elétrons suficientes para neutralizar a carga positiva dos prótons. Essa diferença de cargas entre os dois corpos cria uma tensão elétrica, que é a base para muitos fenômenos elétricos e é fundamental para o funcionamento de circuitos elétricos.

Carga elétrica

É uma propriedade fundamental da matéria que causa forças de atração e repulsão entre partículas subatômicas, como elétrons e prótons. Essa propriedade está associada à força que as partículas exercem umas sobre as outras, sendo a base para os fenômenos elétricos e magnéticos observados no universo.

Tipos de Carga Elétrica

Existem dois tipos de carga elétrica:

Carga Positiva: Associada aos prótons, que são partículas encontradas no núcleo dos átomos.

Carga Negativa: Associada aos elétrons, que orbitam ao redor do núcleo dos átomos.

Princípios Fundamentais da Carga Elétrica

Lei da Conservação da Carga: A carga elétrica total em um sistema isolado permanece constante. Ela não pode ser criada nem destruída, apenas transferida de um corpo para outro.

Força de Interação: Cargas elétricas de sinais opostos (positiva e negativa) se atraem, enquanto cargas de mesmo sinal se repelem.

Unidade de Medida: A carga elétrica é medida em coulombs (C) no Sistema Internacional de Unidades (SI). Um coulomb é a quantidade de carga transportada por uma corrente de um ampère durante um segundo.

Exemplos de Carga Elétrica

Elétrons: Cada elétron possui uma carga negativa de aproximadamente -1,6×10⁻¹⁹ coulombs.

Prótons: Cada próton possui uma carga positiva de +1,6×10⁻¹⁹ coulombs.

Importância da Carga Elétrica

Em circuitos elétricos, a corrente elétrica é o fluxo ordenado de cargas elétricas (geralmente elétrons) através de um condutor, como um fio de cobre, por exemplo.

A interação entre cargas elétricas também é responsável pela geração de campos elétricos e magnéticos, que são fundamentais para o funcionamento de motores, geradores, e a transmissão de sinais em telecomunicações.

2.2. A Lei de Coulomb

A Lei de Coulomb, formulada por Charles Augustin de Coulomb, descreve a força de interação entre duas cargas elétricas.

Expressão Matemática:

​​

Onde:

• F: força entre as cargas (em Newtons, N).
• k: constante eletrostática (8,99×10⁹ N.m²/C²).
• q₁ e q_2​: valores das cargas (em Coulombs, C).
• r: distância entre as cargas (em metros, m).

Interpretação Física:

• A força aumenta proporcionalmente ao produto das cargas (q₁ e q₂​).
• A força diminui com o quadrado da distância entre as cargas (r²).

2.2.1. Lei de Coulomb no contexto do Átomo de Cobre e da Eletrônica

O átomo de cobre (Cu), fundamental para a eletrônica devido à sua excelente condutividade elétrica, possui 29 prótons no núcleo, equilibrados por 29 elétrons distribuídos em diferentes camadas ao redor do núcleo, sendo que o 29º elétron aparece sozinho na camada na 4ª camada (camada de valência). De acordo com a equação de Rydberg (2n²), essa camada poderia conter até 32 elétrons, mas possui apenas um, tornando-a bastante incompleta e o átomo relativamente instável, o que o torna particularmente eficiente em liberar esse elétron para formar a "nuvem de elétrons livres", característica essencial dos dos metais condutores.

A Lei de Coulomb explica as forças que mantêm os elétrons ligados ao núcleo. Ela afirma que a força de atração ou repulsão entre cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. No caso do cobre, o único elétron da camada de valência, 29º elétron, está mais afastado do núcleo, o que reduz a força de atração sobre ele. Essa força menor facilita sua movimentação e remoção do átomo sob estímulos externos, como uma diferença de potencial elético, transformando-o em um elétron livre.

Essas características permitem que o cobre ofereça baixa resistência elétrica e alta eficiência na condução de corrente, tornando-o ideal para fios, placas de circuito e outros componentes eletrônicos. A compreensão detalhada da estrutura atômica e das interações descritas pela Lei de Coulomb é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos avançados e para a otimização do uso de materiais condutores, como o cobre.

A prata, o ouro, o alumínio e alguns metais raros, como o tungstênio, apresentam as mesmas propriedades do cobre, embora com algumas diferenças quantitativas. O alumínio, por exemplo, possui 3 elétrons na 3ª camada, diferente por exemplo, do cobre que possui apenas 1 elétron na 4ª camada.

Biografias

Charles Augustin de Coulomb: O Pai da Eletrostática

Charles Augustin de Coulomb foi um físico francês fundamental para o desenvolvimento da eletricidade e do magnetismo. Nascido em 1736, Coulomb é mais conhecido por sua lei que descreve a força de atração ou repulsão entre cargas elétricas, a Lei de Coulomb.

Principais Contribuições:

Lei de Coulomb: Essa lei estabelece que a força entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Balança de Torção: Coulomb desenvolveu uma balança de torção extremamente precisa para medir forças muito pequenas, o que foi crucial para seus experimentos em eletricidade.

Estudos sobre Atrito e Elasticidade: Além de seus trabalhos em eletricidade, Coulomb também realizou importantes pesquisas sobre atrito e elasticidade.

Legado:

A unidade de carga elétrica, o coulomb, recebeu esse nome em sua homenagem. Seus trabalhos foram fundamentais para o desenvolvimento da eletrostática e eletrodinâmica, áreas que são essenciais para a compreensão de diversos fenômenos naturais e para o funcionamento de inúmeros dispositivos eletrônicos que utilizamos no dia a dia.