Cargas Elétricas
Conceitos fundamentaisA carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria, assim como massa. Existem dois tipos: positiva (prótons) e negativa (elétrons). A unidade no SI é o Coulomb (C).
Carga Positiva
Associada aos prótons. Um próton tem carga: q = +1,6 × 10⁻¹⁹ C
Carga Negativa
Associada aos elétrons. Um elétron tem carga: q = −1,6 × 10⁻¹⁹ C
Carga Nula
Corpo com cargas positivas e negativas iguais: eletricamente neutro.
- Cargas de mesmo sinal se repelem; cargas de sinais opostos se atraem.
- Conservação da carga: a carga total de um sistema isolado é constante.
- Quantização: toda carga é múltipla inteira de e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (carga elementar).
Processos de Eletrização
Atrito · Contato · InduçãoEletrizar um corpo significa alterar sua quantidade de cargas elétricas de modo que ele fique com carga resultante não nula. Há três processos principais:
Atrito (Triboeletrização)
Dois corpos neutros e isolantes são esfregados. Elétrons são transferidos de um para o outro. Um fica positivo e o outro negativo. Exemplo: caneta plástica esfregada no cabelo.
Contato
Um corpo carregado toca um neutro condutor. Elétrons redistribuem-se entre os dois. Ambos ficam com cargas de mesmo sinal. Exemplo: tocar uma esfera com bastão carregado.
Indução (Influência)
Um corpo carregado se aproxima (sem tocar) de um condutor neutro, redistribuindo suas cargas. Com aterramento durante a indução, o corpo fica permanentemente carregado com sinal oposto ao indutor.
Condutores e Isolantes
Propriedades dos materiaisOs materiais se diferem em sua capacidade de permitir o movimento de cargas elétricas:
- Todas as cargas ficam na superfície externa.
- O campo elétrico interno é nulo (Gaiola de Faraday).
- O campo elétrico na superfície é perpendicular a ela.
- Em superfícies com maior curvatura (pontas), a densidade de carga é maior — efeito das pontas.
Lei de Coulomb
Força entre cargas puntiformesA Lei de Coulomb (1785) descreve a força elétrica entre duas cargas puntiformes no vácuo. É análoga à Lei da Gravitação Universal de Newton.
- É uma força vetorial — tem módulo, direção e sentido.
- Age ao longo da reta que une as duas cargas.
- Mesmos sinais → repulsão; sinais opostos → atração.
- Obedece ao Princípio de Ação e Reação (3ª lei de Newton).
- No vácuo: k = 9 × 10⁹ N·m²/C² | Em meios materiais: k' = k / εᵣ
🔬 Calculadora — Lei de Coulomb
Preencha três campos; deixe um em branco para calcular.
Força Elétrica, Cargas e Distância
Relações e proporcionalidadesA Lei de Coulomb revela como a força elétrica varia quando mudamos as cargas ou a distância:
Dobra uma das cargas
A força dobra. F é diretamente proporcional ao produto das cargas.
F' = 2FDobra ambas as cargas
A força é multiplicada por 4. (2 × 2 = 4)
F' = 4FDobra a distância
A força cai para 1/4. F é inversamente proporcional ao quadrado da distância.
F' = F/4Reduz distância à metade
A força é multiplicada por 4. (1/(½)² = 4)
F' = 4FF₂/F₁ = (q₁'·q₂'/q₁·q₂) · (r₁/r₂)²
Substitua os fatores de variação e calcule o resultado.
Campo Elétrico
Força por unidade de cargaO campo elétrico é uma grandeza vetorial que descreve a influência de uma carga no espaço ao redor dela, independentemente da presença de outra carga. É definido como a força elétrica por unidade de carga de prova positiva.
Linhas de campo elétrico
- Partem de cargas positivas e chegam às negativas (ou ao infinito).
- Nunca se cruzam (em cada ponto há uma única direção de campo).
- Quanto mais próximas as linhas, mais intenso o campo.
- São sempre perpendiculares à superfície de condutores em equilíbrio.
Sentido convencionado:
O vetor campo elétrico aponta na direção em que uma carga de prova positiva seria empurrada. Em torno de uma carga positiva, o campo aponta para fora; em torno de uma carga negativa, para dentro.
Força Resultante com Múltiplas Cargas
Princípio da superposiçãoQuando há três ou mais cargas, a força sobre uma delas é a soma vetorial das forças exercidas pelas demais — chamado Princípio da Superposição.
Exemplo resolvido — 3 cargas colineares:
q₁ = +4 µC em x = 0; q₂ = −4 µC em x = 3 m; q₃ = +1 µC em x = 6 m
Calcular a força em q₃:
F₁₃ = k·|q₁|·|q₃| / 6² = 9×10⁹ · 4×10⁻⁶ · 1×10⁻⁶ / 36 = 1×10⁻³ N (repulsão → direita)
F₂₃ = k·|q₂|·|q₃| / 3² = 9×10⁹ · 4×10⁻⁶ · 1×10⁻⁶ / 9 = 4×10⁻³ N (atração → esquerda)
Fres = 4×10⁻³ − 1×10⁻³ = 3×10⁻³ N para a esquerda
- Defina um eixo e um sentido positivo.
- Calcule cada força individualmente (módulo pela Lei de Coulomb).
- Determine o sentido (atração/repulsão) e aplique o sinal correto.
- Some algebricamente (se colineares) ou use componentes (se 2D).
Campo resultante — mesma ideia:
O campo elétrico em um ponto P gerado por várias cargas é a soma vetorial dos campos individuais: \(\vec{E}_{\text{res}} = \vec{E}_{1} + \vec{E}_{2} + \vec{E}_{3} + \dots\)
Aplicações no Cotidiano
Eletrostática no mundo realOs princípios da eletrostática estão presentes em inúmeras tecnologias e fenômenos naturais:
Para-raios
Aproveita o efeito das pontas: condutores pontiagudos concentram cargas e ionizam o ar ao redor, criando um caminho preferencial para descargas atmosféricas, protegendo edificações.
Impressora a laser / Copiadora
Um cilindro carregado eletricamente atrai partículas de toner (tinta em pó) nos pontos corretos, usando eletrostática para reproduzir imagens com precisão.
Pintura eletrostática
As partículas de tinta são carregadas eletricamente e o objeto a pintar é aterrado com carga oposta. A atração eletrostática garante cobertura uniforme com mínimo desperdício.
Gaiola de Faraday
Uma estrutura condutora fechada protege seu interior de campos elétricos externos. Usada em salas de servidores, aparelhos sensíveis e até no habitáculo de aviões.
Filtros eletrostáticos
Partículas de poeira são carregadas eletricamente e atraídas por placas de sinal oposto. Usados em purificadores de ar, chaminés industriais e sistemas de ventilação.
Eletrocardiograma (ECG)
O coração gera campos elétricos detectáveis na superfície do corpo. O ECG mede essas diferenças de potencial para monitorar a atividade cardíaca.