Fundamentos sobre carga elétrica, força eletrostática e campo elétrico

Carga elétrica 

Tudo que existe no universo é formado por átomos, que são partículas imensamente pequenas e invisíveis a olho nu – possuem tamanho de 1 picometro, que é igual a 0,000 000 000 001 metros. Esses átomos são formados por partículas ainda menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. 

Alguns materiais possuem uma característica que permite a movimentação de elétrons. Isso acontece por que, na sua composição, eles possuem elétrons livres. A essa característica, é atribuído o nome de condutor elétrico, como por exemplo, o ferro ou o cobre. Os materiais que não conduzem eletricidade são chamados de isolantes elétricos, como a borracha ou o papel.

Carga
Elétron	Negativo
Próton	Positivo
Nêutron	Possui carga nula

Quantização de carga elétrica

Foi feito uma experiência na qual se verificou que o valor da carga de um próton ou elétron é igual. Para isso, foi atribuído o nome de carga elementar e o valor de 
1,6.10^-19 C (Coulomb).

Com isso, pode-se saber a carga elétrica de um corpo através da expressão:

Q = n . e

Sendo “n”, o número de partículas em excesso de um corpo e “e” o valor da carga elementar.

IMPORTANTE

·         

  Se dissermos que um corpo está negativamente carregado, significa que ele possui elétrons em excesso;

·       

     Se dissermos que um corpo está positivamente carregado, significa que ele possui prótons em excesso;

·       

        Se dissermos que um corpo está neutro, significa que ele possui a mesma quantidade de prótons e elétrons.

CURIOSIDADE

No Sistema Internacional (SI), o valor da unidade de carga elétrica, Coulomb, corresponde a cerca de 6,24.10¹⁸ elétrons.

Exemplos:

   1)     Se um corpo neutro receber dois elétrons, qual será a sua carga?

Q = ?

 n = -2

 e = 1,6.10^-19 C

Q = -2 . 1,6.10^-19 C

Q = -3.2. 10^-19 C

   2)     Se um corpo com dois elétrons em excesso perder três elétrons, qual será a sua nova carga elétrica?

Q = ?

 n = -2 – (-3) = +1

 e = 1,6.10^-19 C

Q = +1. 1,6.10^-19 C

Q = + 1,6.10^-19 C

Como o corpo possuía dois elétrons em excesso e perder três, ele ficou com um próton em excesso, obtendo carga positiva.

Força eletrostática

Considerando duas cargas elétricas, Q e q, separadas por uma distância d, observamos que surge uma força de repulsão ou atração entre elas. Para ficar mais fácil, veja a imagem abaixo:

Quando duas partículas com carga estiverem em seus “campos de interatividade” uma influenciará a outra, e assim, surgirá uma força que poderá atrair as duas cargas ou repulsa-las. Essa repulsão e atração acontecem por causa dos sinais de cada partícula, lembrando que, sinais iguais se repelem e sinais opostos se atraem.

LEI DE COULOMB

“A intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.”

Sendo k a constante de proporcionalidade com o valor de 9.10⁹ N.m²/C².

RESUMINDO

Exemplo

Duas cargas elétricas iguais de valor 2.10^-6C estão afastadas a uma distância de 2m. Sendo k = 9.10⁹ N.m²/C², calcule a força eletrostática.

d = 2m

F = ?

 Q₁ = Q₂ = 2.10^-6 C

Campo elétrico

Para entendermos o que é um campo elétrico, vamos primeiro entender o campo gravitacional do planeta terra, o qual exerce uma atração com os corpos que estão dentro da sua área de influência, como por exemplo, a lua, os carros e até mesmo nós. Isso acontece porque, com a sua massa, nosso planeta causa uma perturbação no espaço, fazendo com que os corpos sejam atraídos. O mesmo acontece com o sol, pois, por possuir uma enorme massa, ele atrai a terra e todos os outros planetas do sistema solar para a sua volta.

É por causa dessa atração gravitacional que as coisas caem no chão e também, é o motivo pela qual os foguetes precisam de tanta energia para sair da órbita da terra!

Com o campo elétrico acontece algo semelhante: quando colocamos uma carga elétrica q, e essa carga sofre influência, seja de atração ou repulsão, dizemos que existe um campo elétrico naquele lugar e ele é criado por uma carga geradora Q. 

A representação do campo elétrico é feita de forma vetorial e sua intensidade é dada por

Onde F é o módulo da força que é exercida sobre a carga de prova q e E é expresso em N/C.

Como a carga q sofre influência pela carga geradora Q, e, considerando que elas estão a uma distância d, então temos,

IMPORTANTE

·         A direção do vetor E é a mesma da força F, enquanto o sentido do vetor E depende do sinal da carga geradora;

·         K é uma constante de proporcionalidade com o valor de 9.10⁹ Nm²/C².

Exemplos

   1)     Determine a intensidade do campo elétrico a 3,0 cm de uma carga puntiforme

Q = +2,010^-6 C, no vácuo. Dado k = 9,0.10⁹ unidades do SI.          

RESOLUÇÃO

Como o exercício indica uma distância entre a carga e o campo elétrico, usaremos a fórmula

Extração dos dados do problema:

 d = 3,0cm = 3.10^-2  cm

 Q = +2,010^-6 C

k = 9,0.10⁹

    2)     (UFRGS) - O módulo do vetor campo elétrico produzido por uma carga elétrica puntiforme em um ponto P é igual a E. Dobrando-se a distância entre a carga e o ponto P, por meio do afastamento da carga, o módulo do vetor campo elétrico nesse ponto muda para:

      a)E/4
b)E/2
c)2E
d)4E
e) 8E

RESOLUÇÃO

Considere o módulo do vetor campo elétrico como 

 Se dobrarmos a distância, não será mais d², mas sim, 2d². Após essa análise, basta apenas colocar a nova informação na fórmula e extrair o resultado: