Eletricidade. É difícil imaginar a vida sem ela. Do chuveiro ao computador, é necessário que aqueles invisíveis elétrons estejam correndo pelas fiações para que nossa vida diária possa manter os confortos e praticidades com os quais nos acostumamos. Show
Essa forma de energia obedece a algumas leis bem simples que lhes permitem aplicações versáteis, as quais vão do girar motores pesados a projetar na tela de seu computador o texto que você está lendo agora. Antes de falar das leis e suas equações, vamos dar uma olhada em alguns conceitos. Sabemos que os elétrons têm carga negativa e os prótons têm carga positiva. Sabemos também que, quando próximos, corpos carregados com cargas opostas se atraem, enquanto os carregados com cargas iguais se repelem. Carga elétrica Tudo bem, mas o que é exatamente carga elétrica? Bem, para falar a verdade, ninguém sabe... Carga elétrica se inclui entre o que chamamos em ciência de conceitos primitivos, entidades que podemos observar e cujas propriedades e comportamento podemos mensurar, mas não temos como defini-las exatamente. Uma das propriedades que podemos observar e mensurar nas cargas elétricas é a formação de campos elétricos. Campos elétricos Campos elétricos se comportam de modo análogo aos campos gravitacionais e magnéticos, uma vez que campos elétricos (assim como os outros campos citados) interagem entre si quando colocados próximos uns dos outros, produzindo forças. Estas forças são as que produzem a atração entre um corpo carregado com carga positiva e outro com carga negativa, da mesma forma que a repulsão, se ambos forem negativos ou positivos. Uma forma esquemática de compreender os campos elétricos é representá-las através de linhas de força. A figura abaixo mostra as linhas de força que formam os campos elétricos em torno de uma carga positiva e outra negativa:
Também podemos usar as linhas de força para esquematizar as interações entre dois campos elétricos, conforme a figura que segue:
Um tipo particular de campo elétrico, muito utilizado para simulações, experimentos ou em exercícios de física é o campo elétrico uniforme, esquematizado na figura a seguir:
Como mostra a figura, o que caracteriza o campo elétrico uniforme são suas linhas de força, que se comportam como paralelas igualmente espaçadas. Isso ocorre quando duas placas paralelas e uniformemente carregadas com cargas de sinais opostos são posicionadas a uma distância próxima uma da outra. A lei de Coulomb O campo elétrico uniforme apresenta esta igualdade em suas linhas de força, implicando que o campo se mantém igual entre as placas e, por consequência, uma carga elétrica posicionada entre elas estará sujeita a uma força cuja intensidade e sentido são constantes ao longo do campo. Vistos os conceitos, vamos à lei de Coulomb. Como quase sempre nestes casos, esta lei leva o nome de seu propositor, o cientista francês Charles Coulomb. Coulomb descobriu que a força elétrica que atua sobre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional às suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância. Se você se lembrou da definição de Newton para a força da gravidade acertou em cheio. Como dissemos, campos elétricos e gravitacionais são análogos. Portanto, o enunciado da Lei de Coulomb pode ser escrito assim: Onde: A próxima figura representa como estas grandezas se relacionam:
A constante eletrostática varia conforme o meio em que estão imersas as cargas. No vácuo, k = 9.109 N.m2/C2. E foi assim que a era da eletricidade começou. Sabendo que existem cargas elétricas e como se comportam mecanicamente, aprendemos como controlar a movimentação dessas cargas e aproveitar a sua energia. eAo aproximarmos dois corpos que estão eletricamente carregados, pelo simples fato de eles apresentarem carga, eles vão exercer uma força um sobre o outro. Essa força é denominada Força Elétrica, visto que a sua ocorrência está atrelada
com a existência de carga elétrica nos corpos, e será de atração caso os corpos apresentem cargas de sinais contrários e de repulsão caso apresentem cargas de mesmo sinal. Obter o módulo dessa força, entretanto, pode ser uma tarefa extremamente difícil, pois isso depende, inclusive, do formato dos corpos carregados. No final do século XVIII, contudo, o físico francês Charles Augustin de
Coulomb conseguiu encontrar uma fórmula matemática que determina a força elétrica entre duas cargas puntiformes, ou seja, entre cargas cujas dimensões são desprezíveis. Ainda que essa fórmula seja válida para um único caso de corpos carregados, esse é o único caso abordado nos exames de vestibulares. Desse modo, ela é de extrema importância para a Física e compõe a chamada Lei de Coulomb, que afirma que o módulo da força
elétrica entre duas cargas puntiformes de cargas cujos módulos valem Q1 e Q2 separadas por uma distância d é dado por: F=K.Q1.Q2d2F=K.Q1.Q2d2
Nesta equação, K é uma constante que depende do meio no qual estão imersas as cargas e é denominada Constante Eletrostática do Meio. Essa constante está relacionada com outra constante característica do meio que será estudada futuramente em outros capítulos da Eletrostática, a qual é denominada Permissividade Absoluta do Meio (ϵ). Essas duas constantes estão relacionadas conforme a seguinte equação: K=14πεK=14πε
Na maioria dos exercícios dos vestibulares, o meio onde ocorre as interações entre as cargas é o vácuo. Neste meio, a constante eletrostática é representada por K0 e vale: K=14πεK=14πε
De mesmo modo, a permissividade absoluta do vácuo é representada por ϵ0 e vale: K0=9,0.109N.m2.C−2K0=9,0.109N.m2.C−2 Para meios diferentes do vácuo, é comum ser fornecida a permissividade relativa do meio, a qual é dada por: \(\epsilon_{\gamma}=\frac{\epsilon}{\epsilon_0}\) Foi observado que a constante eletrostática do vácuo é a maior dentre todos os meios. Isso implica que a Força Elétrica entre duas cargas será maximizada se elas estiverem localizadas no vácuo. Também é constatado que a permissividade absoluta do vácuo é a menor possível, de modo que qualquer outro meio apresentará permissividade relativa maior que 1. Lei de Coloumb e a Lei da Gravitação UniversalVale destacar que existe uma certa similaridade entre a Lei de Coloumb e a Lei da Gravitação Universal, que afirma que a força gravitacional entre dois corpos de massas m1 e m2 separadas por uma distância d é dada por: F=G.m1.m2d2F=G.m1.m2d2 Note que ambas as forças são inversamente proporcionais ao quadrado da distância e dependem de um produto de grandezas características dos corpos em questão (massa no caso da gravitação e carga no caso da eletrostática) e de uma constante. Algumas diferenças, por outro lado, são: a força gravitacional é sempre de atração, enquanto que a elétrica pode ser de atração ou repulsão; a constante G não varia de meio para meio, enquanto que a constante eletrostática é característica de onde ocorre a interação entre as cargas. Princípio da SuperposiçãoUma outra questão relativamente comum em vestibulares é determinar a força resultante sobre uma partícula carregada quando várias outras cargas estão nas suas proximidades. Nesse tipo de problema, atuam sobre a carga várias forças elétricas, cada uma sendo proveniente da interação com outra carga elétrica. Para resolver, basta aplicar o Princípio da Superposição, que pode ser enunciado da seguinte maneira: “a força resultante sobre uma partícula carregada quando diferentes cargas exercem força elétrica sobre ela é igual à soma vetorial dessas forças”. O princípio é muito importante, pois é ele que garante que a força exercida por uma carga puntiforme sobre a outra não sofra interferência pela presença de uma terceira carga. Logo, nesse tipo de problema, basta encontrar os vetores força individuais e fazer a soma deles para achar a resultante. Contudo, vale ressaltar a importância de se atentar para os sinais da carga, pois é crucial definir se a força será de atração ou repulsão, visto que os vetores teriam sinais contrários em cada caso. FórmulasExercício de fixação UNESP Duas esferas condutoras idênticas carregadas com cargas +Q e- 3Q, inicialmente separadas por uma distância d, atraem-se com uma força elétrica de intensidade (módulo) F. Se as esferas são postas em contato e, em seguida, levadas de volta para suas posições originais, a nova força entre elas será: A maior que F e de atração. B menor que F e de atração. C igual a F e de repulsão. D menor que F e de repulsão. E maior que F e de repulsão. O que acontece com a força elétrica quando varia a distância entre as cargas?A força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas. Sendo assim, quanto maior a distância entre os corpos eletrizados (d), menor será a interação entre as cargas (F).
Qual a relação entre a força elétrica e a distância entre as cargas?A lei de Coulomb estabelece que a força elétrica entre duas partículas carregadas é inversamente proporcional ao quadrado da distância existente entre elas.
Como a distância entre as cargas altera a força elétrica que atua entre elas?A força elétrica que uma carga exerce sobre outra carga é proporcional ao produto do módulo de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. A força elétrica faz com que as cargas de sinais iguais sejam repelidas.
O que acontece com a intensidade da força elétrica entre duas cargas quando a distância entre elas e reduzida?Resposta. Se a distância entre cargas for reduzida pela metade, a força elétrica aumenta quatro vezes. A força elétrica, de atração ou repulsão entre cargas puntuais é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
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O que acontece com a força elétrica quando varia a distância entre as cargas explique?
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