Eletrostática - Lei de Coulomb, Campo Elétrico e Potencial Elétrico


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4. Fundamentos da Eletrostática

4.1. O que é Eletrostática

A eletrostática é o ramo da física que estuda as cargas elétricas em repouso. Diferente da eletricidade dinâmica, onde as cargas estão em movimento gerando corrente elétrica, a eletrostática foca nos fenômenos associados às cargas estáticas ou quase estáticas em relação ao seu ambiente. Esses fenômenos incluem as interações entre cargas elétricas, a formação de campos elétricos, a polarização de materiais e a criação de forças entre objetos carregados.

4.2. Carga Elétrica

A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria relacionada às partículas subatômicas, como elétrons e prótons. Ela é responsável pelas forças eletromagnéticas, que governam a interação entre partículas carregadas e desempenham um papel essencial no estudo da eletricidade, magnetismo e fenômenos eletromagnéticos.

Alguns átomos podem doar ou receber elétrons, rompendo o equilíbrio entre cargas positivas e negativas. O corpo que ganha elétrons fica carregado negativamente, enquanto o que perde elétrons adquire carga positiva. Essa diferença de cargas gera tensão elétrica, essencial para fenômenos e circuitos elétricos.

4.2.1. Natureza da Carga Elétrica

Tipos de Carga Elétrica: Esses tipos de carga são fundamentais para a compreensão de fenômenos como forças elétricas, tensão elétrica e o funcionamento de circuitos.

Carga Positiva (+)

    • Um corpo ou átomo adquire carga positiva quando perde elétrons.
    • Nesse caso, há um excesso de prótons (+) em relação aos elétrons (-), resultando em uma carga líquida positiva.
    • Isso ocorre, por exemplo, quando há transferência de elétrons para outro corpo durante processos de eletrização, como atrito ou contato.

Carga Negativa (-)

    • Um corpo ou átomo adquire carga negativa quando ganha elétrons.
    • Aqui, há um excesso de elétrons (-) em relação aos prótons (+), resultando em uma carga líquida negativa.
    • Esse ganho de elétrons também pode ocorrer por transferência de elétrons, como durante a eletrização por contato ou indução.

Carga Neutra (sem carga)

    • Um corpo ou átomo está neutro quando possui igual número de prótons (+) e elétrons (-).
    • Nesse estado, as cargas positivas e negativas se equilibram, e não há manifestação de forças elétricas externas.

Unidade de Medida:

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

Carga Elementar (e):

  • 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.

4.2.2. Princípios Fundamentais da Carga Elétrica

Lei da Conservação da Carga:

  • A carga elétrica não pode ser criada nem destruída, apenas transferida de um corpo para outro.
  • A quantidade total de carga em um sistema isolado permanece constante.

Força de Interação:

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

4.2.3. Força Elétrica

A força elétrica é a interação que ocorre entre cargas elétricas, sendo uma manifestação do campo eletromagnético. Ela desempenha um papel crucial no comportamento das partículas carregadas e é descrita quantitativamente pela Lei de Coulomb.

A interação eletrostática entre corpos carregados, caracterizada por forças de atração ou repulsão, foi quantificada pela primeira vez por Coulomb, resultando na lei fundamental da eletrostática.

4.3. A Lei de Coulomb

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

A força de ação mútua entre dois corpos carregados tem a direção da linha que une os corpos e sua intensidade é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa”.

Expressão Matemática:

Onde:

  • F: força entre as cargas (em Newtons, N).
  • k: constante eletrostática (8,99×109N.m²/C²).
  • q1 e q2: valores das cargas (em Coulombs, C).
  • r: distância entre as cargas (em metros, m).

Interpretação Física:

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

Observação:

  • Conforme a Lei de Coulomb, a força elétrica entre cargas é inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Dobrando a distância, a força é reduzida a um quarto do valor inicial.

4.4. Eletrização (Transferência de Carga)

A tendência natural dos corpos é manter-se em um estado de neutralidade elétrica, ou seja, possuir um número igual de cargas positivas (prótons) e negativas (elétrons). Nesse estado, as cargas se cancelam mutuamente, e nenhum fenômeno de natureza elétrica se manifesta de forma perceptível. Em condições normais, os átomos que compõem um corpo apresentam equilíbrio entre prótons e elétrons, como ilustrado abaixo:

4.4.1. Corpos Eletrizados: Excesso ou Deficiência de Elétrons

Na prática, nem sempre os corpos permanecem neutros. Em determinadas condições, como atrito, contato ou indução, os átomos de um corpo podem ganhar ou perder elétrons, resultando em um estado de desequilíbrio elétrico. Esse desequilíbrio é o que chamamos de eletrização.

  • Excesso de elétrons: Quando um corpo possui mais elétrons do que prótons, ele se encontra eletrizado negativamente.
  • Falta de elétrons: Quando um corpo possui menos elétrons do que prótons, ele está eletrizado positivamente.

Na figura abaixo representamos os dois casos de corpos eletrizados, destacando as diferenças na distribuição de cargas.

4.4.2. Eletrização: Métodos de Transferência de Carga

4.4.3. Eletrização por Atrito

A eletrização por atrito ocorre quando dois corpos inicialmente neutros, principalmente isolantes, são esfregados um contra o outro, transferindo elétrons de um material para o outro. Este processo resulta em cargas opostas nos corpos envolvidos: um deles ficará carregado positivamente (perde elétrons) e o outro negativamente (ganha elétrons).

A eletrização é um fenômeno fundamental para entender diversas manifestações elétricas, como as descargas eletrostáticas e a interação entre materiais com propriedades diferentes. Esse princípio é a base de estudos em eletrostática, sendo essencial para o funcionamento de dispositivos eletrônicos e para o desenvolvimento de tecnologias que utilizam as propriedades das cargas elétricas.

Como Funciona:

  • Transferência de elétrons: Os elétrons, partículas com carga negativa, localizados nas camadas mais externas dos átomos, são transferidos de um material para outro devido ao atrito, resultando na formação de cargas elétricas opostas em cada um deles.
  • Afinidade eletrônica: A tendência de um material em ganhar ou perder elétrons é determinada por sua afinidade eletrônica. Materiais com maior afinidade eletrônica tendem a atrair elétrons, enquanto aqueles com menor afinidade eletrônica tendem a perdê-los.
  • Série triboelétrica: A série triboelétrica é uma lista que ordena os materiais de acordo com sua tendência de ganhar ou perder elétrons durante o atrito. Ao atritar dois materiais, aquele que estiver mais próximo do topo da lista tende a perder elétrons e se tornar positivamente carregado, enquanto o outro, mais próximo da base, tende a ganhar elétrons e se tornar negativamente carregado.
  • Intensidade do atrito: A quantidade de carga elétrica gerada depende da intensidade do atrito, da área de contato entre os materiais e da afinidade eletrônica entre eles. Quanto maior a forção aplicada durante o atrito e a área de contato, maior a quantidade de carga transferida.

Série Triboelétrica:

A série triboelétrica é uma tabela que organiza materiais de acordo com sua tendência de perder ou ganhar elétrons durante um processo de atrito. Os materiais estão listados do topo (mais propensos a perder elétrons e ficar positivos - menor afinidade eletrônica) ao fundo (mais propensos a ganhar elétrons e ficar negativos - maior afinidade eletrônica):

Obs.: A posição de um material na série triboelétrica pode variar dependendo de fatores como a umidade do ar, pureza dos materiais e a natureza das superfícies em contato.

Como funciona a tabela:

Ao esfregar um canudo de plástico (poliestireno) em um pedaço de lã, o canudo, por estar mais próximo da base da série triboelétrica, tende a ganhar elétrons da lã e se torna negativamente carregado. Consequentemente, a lã perde elétrons e se torna positivamente carregada. Essa carga adquirida pelo canudo permite que ele atraia pequenos pedaços de papel, demonstrando a presença de uma força elétrica. Portanto:

  • O material com maior afinidade eletrônica (capacidade de atrair elétrons) tende a ganhar elétrons e se carregar negativamente.
  • O material com menor afinidade eletrônica perde elétrons, ficando positivamente carregado.

4.4.4. Eletrização por Contato

Na eletrização por contato, um corpo já eletrizado transfere parte de sua carga elétrica a outro corpo ao entrar em contato direto com ele. Nesse processo, ocorre uma transferência de elétrons entre os corpos, até que ambos adquiram a mesma densidade de carga. Após o contato, ambos os corpos terão cargas elétricas do mesmo tipo (positivas ou negativas), mas com cargas de mesmo valor absoluto. A eletrização por contato ocorre facilmente em materiais condutores, pois os elétrons podem se movimentar livremente.

Como Funciona:

  • Quando o corpo eletrizado toca outro corpo neutro:
    • Há uma redistribuição das cargas elétricas.
    • Parte dos elétrons ou da falta deles (prótons não se movem) é transferida até que se alcance o equilíbrio eletrostático.
  • A quantidade de carga transferida depende do material e da área de contato.

Equilíbrio Eletrostático:

Os elétrons fluirão do corpo neutro para o corpo carregado positivamente até que ambos os corpos atinjam um equilíbrio eletrostático. Isso significa que a densidade de cargas (quantidade de carga por unidade de volume) será a mesma em ambos os corpos.

Exemplo Prático:

Se você atritar um canudo de plástico em um pedaço de lã, o canudo ficará carregado negativamente. Ao tocar o canudo em uma esfera metálica neutra, parte da carga negativa do canudo será transferida para a esfera, eletrizando-a negativamente.

Exemplo: Encostar um bastão carregado em uma esfera condutora neutra.

4.4.4. Eletrização por Indução

Na eletrização por indução, um corpo neutro é eletrizado sem contato direto com o corpo carregado. Esse processo ocorre devido à redistribuição das cargas internas do corpo neutro causada pela influência do campo elétrico do corpo carregado.

Como Funciona:

  • Aproximação:
    • Um corpo carregado (indutor) é aproximado de um corpo neutro (induzido), criando um campo elétrico.
    • O campo força as cargas do corpo neutro a se rearranjarem: cargas opostas ao indutor movem-se para o lado mais próximo, enquanto as iguais vão para o lado oposto.
  • Separação de cargas:
    • No corpo neutro, formam-se polos: um lado fica carregado positivamente e o outro negativamente.
  • Conexão à terra (opcional):
    • Para eletrizar permanentemente o corpo induzido, conecta-se seu lado oposto ao indutor à terra, permitindo que as cargas escapem ou entrem.
  • Resultado:
    • Ao desconectar da terra após o aterramento e afastar o indutor, o corpo induzido permanece com carga elétrica adquirida no processo.

Exemplo prático:

Imagine uma esfera metálica neutra. Ao aproximarmos uma barra de plástico carregada negativamente da esfera, os elétrons livres da esfera serão repelidos para o lado oposto, deixando a região mais próxima da barra com um excesso de cargas positivas. Se conectarmos a esfera à terra por um instante, os elétrons em excesso escoarão para a terra, deixando a esfera carregada positivamente. Ao removermos a barra, a esfera permanecerá carregada positivamente.

4.4.3. Comparação dos tipos de eletrização

4.4.3. Outros Processos de Eletrização

Piroeletricidade: Certos cristais, como a turmalina, apresentam o fenômeno piroelétrico, ou seja, se eletrizam espontaneamente quando aquecidos ou resfriados, desenvolvendo cargas elétricas de sinais opostos em suas extremidades.

Piezoeletricidade: Certos cristais, como a turmalina, a calcita e o quartzo, apresentam o fenômeno piezoelétrico, ou seja, se eletrizam quando submetidos a uma pressão ou deformação mecânica, desenvolvendo cargas elétricas de sinais opostos em suas faces opostas.

4.5. Quantificação da carga elétrica em um corpo eletrizado

A carga elétrica de um corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar (). Isso significa que a carga elétrica de qualquer objeto é Q = n e , onde:

  • Q é a carga elétrica em coulombs (C)
  • é um número inteiro que representa a quantidade de elétrons ou prótons transferidos,
  • é a carga elementar de um elétron (-1,6×10−19 C) ou próton (1,6×10−19 C)

4.6. Campo Elétrico

O campo elétrico é uma região do espaço ao redor de uma carga elétrica ou de um sistema de cargas em que uma força elétrica pode ser exercida sobre outras cargas. É uma das formas de descrever como as cargas elétricas interagem à distância.