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Eletrostática: um resumo da teoria à aplicação

Quer dar aquela revisada na eletrostática? Então, confira aqui um resumo completíssimo dessa área da física, incluindo detalhes de todas as fórmulas da teoria à aplicação!

Autor Representação de uma pessoa Denis Data Representação de um calendário 09/09/2019 Tempo Representação de um relógio 13min  de leitura

A eletrostática é a área da física que estuda o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou seja, cargas que não estão em movimento.

Cargas Elétricas

As cargas elétricas estão por trás de todos os fenômenos elétricos. No sistema internacional de unidades (SI), elas são medidas em Coulombs (C), e podem ser tanto positivas quanto negativas.

No interior dos átomos, temos partículas de cargas elétricas positivas, negativas e neutras:

Os nêutrons possuem carga elétrica nula, ou seja, não possuem carga elétrica.

Já os prótons e os elétrons possuem um mesmo valor de carga elétrica. No entanto, esse valor é positivo para os prótons e negativo para os elétrons:

A carga elétrica de um próton é positiva, já a carga elétrica de um elétron é negativa. No entanto, ambas tem o mesmo valor, em módulo. Esse valor é 1,6 vezes 10 elevado a menos 19.

Essa quantidade de carga é considerada importantíssimo na eletrostática, sendo assim, ela possui um nome especial: carga elétrica fundamental (e):

A carga elétrica fundamental vale 1,6 vezes 10 elevado a menos 19 Coulombs.

Corpos Carregados

Todo corpo é composto de átomos e, consequentemente, de um número inteiro de prótons, elétrons e nêutrons, ou seja, nenhum corpo na natureza apresenta um valor fracionário de qualquer uma dessas partículas.

Dessa forma, a carga total de um corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elétrica fundamental. Em síntese, os valores possíveis para a carga total Q de um corpo são:

A quantidade total de carga Q em um corpo equivale ao produto de n e e.

em que n é qualquer valor inteiro (…, -2, -1, 0, 1, 2, …) e e é o valor da constante eletrostática.

Quando um corpo não é neutro, ou seja, quando um corpo possui um saldo não nulo de cargas elétricas, dizemos que esse corpo está carregado. Se esse excesso é de cargas positivas (prótons), dizemos que esse corpo está positivamente carregado. Analogamente, nos casos onde o excesso é de cargas negativas (elétrons), dizemos que o corpo está negativamente carregado.

É importante lembrar também que o material que compõe um corpo interfere, e muito, na movimentação das cargas que ocorre dentro desse. Por essa razão, costumamos dividir os materiais em condutores e isolantes:

  • Em um condutor, os elétrons têm liberdade para se mover, ou seja, nesse tipo de material, os elétrons tem capacidade de conduzir corrente elétrica.
  • Em um isolante, os elétrons têm dificuldade para se mover, ou seja, esse tipo de material é capaz de isolar a passagem de corrente elétrica.

Força Elétrica

Todos os corpos não neutros, ou seja, que possuem um excesso de cargas, interagem através de uma força elétrica.

No caso de corpos com cargas de mesmo sinal, o sentido da força é sempre de repulsão. Por exemplo, observe o sentido da força elétrica entre dois corpos positivamente carregados:

Representação do sentido da força elétrica atuante sobre duas esferas carregadas positivamente. Neste caso, a força elétrica está atuando no sentido de afastar as duas esferas.

Já entre corpos com cargas de sinais opostos, o sentido da força elétrica é sempre de atração:

Representação do sentido da força elétrica atuante sobre duas esferas carregadas com sinais opostos. Nesse caso, a força elétrica está atuando no sentido de aproximar as duas esferas.

Lei de Coulomb e a sua importância

A lei de Coulomb é a lei mais importante de eletrostática. Ela define o módulo da força elétrica atuante sobre dois corpos:

O módulo da força elétrica que atua sobre dois corpos eletricamente carregados e que possuem dimensões muito menores do que a distância que existe entre eles, é proporcional à quantidade de carga presente em cada corpo e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa.

A fórmula da lei de Coulomb é a seguinte:

Fórmula da lei de Coulomb, onde a força F equivale ao produto da constante eletrostática k e das cargas q de cada corpo, dividido pelo quadrado da distância d entre os corpos.

em que:

  • F é o módulo da força elétrica entre os dois corpos (1 e 2);
  • q₁ é a quantidade de carga no corpo 1;
  • q₂ é a quantidade de carga no corpo 2;
  • d é a distância que separa os dois corpos;
  • k é constante eletrostática, que depende do meio que contém os corpos.

Para o vácuo e para o ar essa constante vale, aproximadamente:

k0 é constante eletrostática no vácuo. Ela vale 9 vezes 10 elevado a nona potência.
Ela é a constante de proporcionalidade que aparece na lei de Coulomb.

Quer se aprofundar mais no assunto? Confira nosso post sobre a lei de coulomb e os fundamentos da eletrostática.

Processos de Eletrização

Os elétrons podem se movimentar não apenas dentro dos corpos, mas também entre corpos distintos. Sendo assim, é possível carregar um corpo inicialmente neutro. Esse tipo de processo é chamado de eletrização e pode ocorrer de três formas diferentes: por contato, por atrito ou por indução.

Vale lembrar que independentemente do processo, a quantidade total de cargas sempre se conserva, ou seja, cargas não são criadas nem destruídas, apenas transferidas entre corpos.

Eletrização por Contato

Nesse tipo de eletrização, um corpo carregado transfere parte do seu excesso de cargas para um corpo neutro através de um contato direto.

Por exemplo, quando um corpo negativamente carregado toca em um corpo neutro, parte dos seus elétrons se movem para o corpo neutro.

Uma esfera com excesso de cargas negativas se aproxima de uma esfera neutra. Quando elas se tocam, ambas se tornam negativamente carregadas.

Note que, ao fim do processo, ambos os corpos estão negativamente carregados.

O mesmo pode acontecer quando um corpo positivamente carregado toca um corpo neutro:

Uma esfera com excesso de cargas positivas se aproxima de uma esfera neutra. Quando elas se tocam, ambas se tornam positivamente carregadas.

Sabemos que apenas elétrons têm liberdade para se mover (os prótons estão presos no núcleo atômico). Dessa forma, nesse segundo caso o mecanismo é diferente: alguns elétrons do corpo neutro são repassados para o corpo positivamente carregado, deixando ambos positivamente carregados.

Eletrização por Atrito

Nesse tipo de eletrização, dois corpos inicialmente neutros são atritados entre si e, um deles, passa elétrons para o outro.

No final do processo, o que doou elétrons se encontra positivamente carregado e o que recebeu elétrons se encontra negativamente carregado.

Quando um bastão de vidro é atritado com um pedaço de seda, o bastão fica positivamente carregado e a seda fica negativamente carregada.
Observe o que acontece quando um bastão de vidro é atritado com um pedaço de seda

Tá, mas como eu faço pra saber qual corpo doa e qual recebe elétrons?

Em cada situação, para saber o sentido da transferência de elétrons, você deve usar uma tabela triboelétrica. Observe abaixo um exemplo desse tipo de tabela:

Materiais
Extremidade Positiva (+)
Pela Humana Seca
Couro
Vidro

Seda
Alumínio
Papel
Madeira
Cobre
Poliéster
Isopor
Silicone
Extremidade Negativa (-)

Dentre os materiais, aquele que estiver mais próximo da extremidade negativa da tabela irá receber elétrons, ficando negativamente carregado. Analogamente, aquele que estiver mais próximo da extremidade positiva da tabela irá doar elétrons, ficando positivamente carregado.

Eletrização por Indução

Neste tipo de eletrização, não existe contato direto entre o corpo carregado e o corpo neutro que se deseja carregar.

Em suma, o que acontece é: o corpo carregado se aproxima do corpo neutro e induz uma separação de cargas dentro desse corpo.

Quando isso acontece dizemos que o corpo foi polarizado, pois formam-se dois polos no corpo, um negativo (onde há excesso de cargas negativas) e outro positivo (onde há excesso de cargas positivas).

Após essa separação de cargas, o próximo passo da eletrização por indução é remover o excesso de cargas de um dos polos de alguma forma.

A maneira mais comum de fazê-lo é através de um aterramento, ou seja, conectar um dos polos do corpo ao solo por um condutor, permitindo a transferência de cargas entre o solo e o polo.

Por exemplo, observe a eletrização de uma esfera neutra, por indução e aterramento, na figura abaixo:

Quando um bastão carregado se aproxima de um condutor neutro. Ele separa as cargas desse condutor. Se aterrarmos o condutor, permitiremos que cargas passem dele para a terra. No fim do processo, o condutor, inicialmente neutro, estará carregado.
Exemplo de eletrização por indução que se utiliza de um aterramento

Quer saber mais detalhes sobre algum dos tipos de eletrização ou até mesmo testar seus conhecimentos sobre assunto? Então confira nosso post dedicado apenas aos processos de eletrização: contato, atrito e indução.

Campo Elétrico

Todo o espaço em torno de uma carga elétrica é alterado pela sua presença. Qualquer outra carga colocada nessa região sentirá uma força elétrica, seja essa de atração ou de repulsão.

Portanto, definimos então, que nessa região existe um campo elétrico. Em outras palavras, toda carga elétrica gera um campo elétrico ao seu redor.

Tá, mas como eu calculo o valor desse campo elétrico?

O módulo de um campo elétrico E gerado por uma carga elétrica Q em cada ponto do espaço é dado por:

Fórmula do campo elétrico. O módulo do campo elétrico é equivalente ao produto da constante eletrostática k e da carga geradora do campo Q, dividido pelo quadrado da distância entre essa carga e o ponto a ser medido.

em que:

  • k é a constante eletrostática (a mesma presente na lei de Coulomb);
  • d é a distância entre a carga Q, geradora do campo, e o ponto onde você deseja medir o campo elétrico.

Outra forma de aferir o valor do campo elétrico E em um ponto em torno de uma carga geradora Q é colocar uma segunda carga q sobre esse ponto e utilizar a seguinte fórmula:

Fórmula do campo elétrico. O módulo do campo elétrico é equivalente a razão entre a força elétrica que atua sobre uma carga q dentro do campo e o valor dessa carga.

em que F é a intensidade da força elétrica que existirá entre Q e q.

Ambas as fórmulas são equivalentes.

As unidades de campo elétrico no sistema internacional (SI) são newtons por coulomb (N/C) ou volts por metro (V/m). Escolha aquela que você gostar mais.

Um fato interessante sobre os campos elétricos, é que eles se anulam dentro de qualquer tipo de condutor, independentemente da sua forma. Esse fenômeno é chamado de blindagem eletrostática e é graças a ele que podemos nos proteger de uma tempestade de raios entrando dentro de um automóvel, por exemplo.

Linhas de Campo

Os campos elétricos são vetoriais, ou seja, eles possuem módulo, direção e sentido em cada ponto do espaço.

Para representar a direção e sentido de um campo, em todos os pontos do espaço, utilizamos as chamadas linhas de campo. O vetor campo elétrico, em cada ponto do espaço, é sempre tangente à essas linhas e aponta no mesmo sentido delas.

Por convenção, essas linhas sempre apontam “para fora” de cargas positivas e “para dentro” de carga negativas:

As linhas de campo entram em um carga negativa e saem de uma carga positiva.

Sendo assim, as linhas de campo sempre parecem estar saindo das cargas positivas e chegando nas cargas negativas:

As linhas de campo entram em um carga negativa e saem de uma carga positiva.

É importante lembrar que, apenas observando as linhas de campo, podemos inferir onde o campo elétrico é mais intenso: a densidade de linhas é maior onde o campo elétrico é mais intenso, ou seja, em um diagrama de campo elétrico, o campo é mais intenso onde as linhas estiverem mais próximas umas das outras.

Outro conceito importante é o de um campo elétrico uniforme. Esse tipo de campo possui, em todas as regiões do espaço, o mesmo módulo, direção e sentido. Dessa forma, as linhas de campo para um campo elétrico uniforme são sempre paralelas e com espaçamento uniforme entre si.

Potencial Elétrico

Toda carga elétrica, localizada dentro de um campo elétrico, possui uma energia associada à sua posição dentro desse campo. Essa energia é chamada de energia potencial elétrica (Ep).

Definimos o potencial elétrico (V) de um ponto no espaço como a energia potencial elétrica por carga (q) presente naquele ponto, ou seja:

Fórmula para o potencial elétrico. O potencial elétrico V equivale à razão entre a energia potencial elétrica Ep de um ponto e a quantidade de carga q nesse ponto.

Por fim, também é possível calcular o potencial elétrico de cada ponto dentro de um campo elétrico utilizando o valor da carga Q, geradora do campo, e d, a distância do ponto até essa carga Q:

Fórmula do potencial elétrico. O potencial elétrico V equivale ao produto da constante eletrostática k pela carga Q geradora do campo dividido pela distância entre o ponto de estudo e essa carga Q.

em que k é, novamente, a constante eletrostática.

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