Nesta unidade temática, você vai aprender

• Conceito de carga elétrica;

• Princípios de eletrização;

• Força elétrica;

• Campo elétrico.

A carga total de um corpo pode ser dada como um múltiplo da carga fundamental do elétron pela Equação 1: 

Onde, n representa o número de elétrons, sendo sempre um número inteiro; é módulo da carga do elétron.

OBS: Um Coulomb de carga é uma quantidade muito grande de elétrons, por isso usa-se múltiplos menores como:

A eletrostática apresenta dois princípios fundamentais:

a) “Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, e cargas elétricas de sinais opostos se atraem.”

A Figura 1 a seguir indica esse processo:

b) “A carga total de um sistema isolado é constante.” 

Ou seja, para qualquer processo elétrico dentro de um sistema isolado, tem-se-se:𝑄ANTES = 𝑄DEPOIS 

A tendência dos corpos na natureza é de serem neutros, ou seja, igual número de prótons e elétrons: : 𝑛p =  𝑛e .

Assim, a carga total do corpo é nula. Então é necessário que os corpos sejam eletrizados, ou seja, possuam diferentes números de elétrons e de prótons: 𝑛p ≠ 𝑛e . 

Eletrização

Todos os corpos podem ser eletrizados. Para um corpo ficar eletrizado, é necessário que, ou tiremos elétrons dele, ou coloquemos elétrons nele. No primeiro caso, dizemos que o corpo fica eletrizado positivamente e no segundo caso, ficou eletrizado negativamente. 

Eletrização por atrito

Por atrito, duas substâncias diferentes, inicialmente neutras, ficam eletrizadas com cargas de mesmo módulo e de sinais diferentes. 

Eletrização por indução

Uma vez que tenhamos um corpo previamente eletrizado, este pode se aproximar de um outro, neutro, e eletrizá-lo por influência. Essa influência pode ser uma indução. Considerando um corpo previamente eletrizado negativamente, que chamaremos de indutor, ao se aproximar de um objeto metálico neutro, o induzido, os elétrons-livres deste serão atraídos para a extremidade mais próxima ao corpo positivo, dividindo, então, as cargas do corpo neutro, ficando um lado positivo e outro negativo. Uma vez que afastemos novamente o indutor, tudo volta ao normal no induzido, ficando este novamente com carga total nula. Então para que o induzido fique eletricamente carregado, é necessário ligá-lo a um Terra (corpo de massa maior, que pode receber ou doar elétrons, e que na maioria das vezes é a própria Terra), por um fio metálico; essa transferência é instantânea. Portanto, logo em seguida, pode-se desfazer a ligação. No caso do indutor negativo, os elétrons do induzido por ele são repelidos, por ele, descendo pelo fio até o Terra. Quando se desfizer o contato, ele ficará carregado positivamente, pois os elétrons que foram para o Terra não terão como retornar, ficando assim o corpo eletrizado com a carga de sinal contrário ao indutor. Se o mesmo for positivo, o processo é o oposto. 

Eletrização por Contato  

Quando o indutor encostar, tocar, no induzido, teremos o que denominamos de eletrização por contato. Nessa situação, ao se encostarem, indutor e induzido, haverá uma redistribuição de cargas nos dois entes. Como consequência, o induzido ficará com a mesma carga do indutor. Por exemplo, se o indutor for positivo e este tocar no induzido, este último ficará também positivo. Se o indutor for negativo e encostar no induzido, este ficará também negativo. Geralmente, para efeitos práticos, consideram-se os corpos envolvidos como esferas metálicas idênticas. Esferas para ter uma distribuição uniforme de cargas, metálicas para poderem conduzir cargas elétricas e idênticas para terem a mesma quantidade de cargas. Considere duas esferas metálicas idênticas A e B, com cargas, respectivamente. Antes do contato, a carga total do sistema é:            

Considere duas esferas metálicas idênticas A e B, com cargas 𝑄A , e 𝑄B respectivamente. Antes do contato, a carga total do sistema é: 

𝑄TOTAL = 𝑄A + 𝑄B 

 Equação 2 

 Após o contato, a carga de cada uma será dada pela Equação 3: 

FORÇA ELÉTRICA

A interação entre cargas elétricas de atração ou de repulsão é através de uma força de origem elétrica, Charles Augustin Coulomb (1736-1806) realizou inúmeras experiências, nas quais identificou os fatores que influenciam a força elétrica (F) entre duas cargas. Coulomb concluiu que o módulo da força era: 

a) O módulo é diretamente proporcional ao produto dos módulos entre as duas cargas:

b) O módulo é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas: 

Assim, tem-se: 

Onde 𝑎 indica uma proporcionalidade.

Matematicamente, para ter-se uma equação no lugar de uma proporção, é necessário inserir uma constante. Então a constante determinada por Coulomb tem a ver com o meio no qual as cargas estão inseridas. Como a concentração de partículas do meio pode alterar o módulo da força, o meio escolhido por Coulomb foi o vácuo. Assim, a força elétrica é dada pela Equação 4: 

Sendo 𝑘0 a constante elétrica do vácuo: 

Como força é uma grandeza vetorial, tem-se que: 

|𝐹12| = |𝐹21| ou 𝐹12 = − 𝐹21 

O vetor força entre as cargas têm o mesmo módulo e unidade, a direção é a da reta que une as duas cargas. O sentido será sempre contrário. Sendo aplicada em corpos diferentes. 

Tendo-se um sistema com mais de duas cargas, deve-se fazer vetorialmente a força resultante entre elas. 

EXEMPLOS

Exemplo 1

Determine a força resultante sobre a carga 𝑄3 = −1𝜇𝐶 sendo 𝑄1 = −3𝜇𝐶 , e 𝑄2 = −4𝜇𝐶 , quando separadas no vácuo as distâncias indicadas a seguir: 

Assim, é dada por: 𝐹R3 = 𝐹23 − 𝐹13 = 0,9 − 0,3 = 0,6 𝑁 → 

Exemplo 2

No exemplo anterior, determine a força resultante sobre a carga 𝑄2 

𝐹R2 = 𝐹32 − 𝐹12 = 0,9 − 0,432 = 0,468 𝑁 ← 

Exemplo 3

No exemplo anterior, determine a força resultante sobre a carga 𝑄1 

𝐹R1 = 𝐹31 − 𝐹21 = 0,432 − 0,3 = 0,132 𝑁 ← 

CAMPO  ELÉTRICO

O conceito de campo elétrico é abrangente e determina uma região no espaço onde uma carga exerce uma interação elétrica com outra. Denomina-se de  carga criadora a carga, e a outra de carga de teste  ou as vezes de puntiforme, pois o. Portanto ao posicionar uma carga, próxima de uma carga, e esta sofrer alguma ação elétrica ( atração ou repulsão), pode-se concluir que a carga  está ao alcance da carga criadora, portanto, ela está dentro da região de campo elétrico gerado pela carga criadora. Campo elétrico é uma grandeza vetorial, cujo módulo pode ser expresso pela Equação 5: 

Onde, F representa a força elétrica entre as duas cargas. A unidade é, N/C e como a força é dada pela lei de Coulomb, tem-se a Equação 6.

CAMPO ELÉTRICO UNIFORME

O vetor campo elétrico é uniforme, quando apresenta mesmo módulo, mesma unidade, mesma direção e sentido. O uniforme é representado por placas uniformemente carregadas com sinais opostos.

Sendo a força resultante dada pela Equação 7:

𝐹R = 𝑚 𝑎 

Equação 7 

E a força elétrica é dada pela Equação 8:

𝐹e = 𝑞 𝐸 

Equação 8 

E como a única força que atua é a força elétrica, ela faz o papel da força resultante, então tem-se a aceleração resultante dada pela Equação 9. 

A aceleração em m/s2 .