Você já sentiu pequenos choques quando tocou bexigas? Essas pequenas transferências de energia são um dos fenômenos estudados pela eletrostática, área da física que se dedica a compreender como as cargas elétricas ficam em repouso no espaço. Leia este artigo e conheça os princípios da disciplina, as fórmulas envolvidas e como ele é aplicado em provas de vestibulares.
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Conceitos em eletrostática
Carga elétrica
Imagine um corpo que possui 150 prótons, partículas subatômicas de valor positivo, e 140 elétrons, que têm sinal negativo. Uma simples observação deixa claro que há uma neutralidade entre 140 prótons e 140 elétrons, mas 10 prótons estão em excesso nesse objeto. Esse é o conceito de carga elétrica, um termo fundamental da eletrostática.
Ou seja, a carga elétrica trata sobre o excedente de partículas positivas ou negativas. Se um corpo tem carga positiva, significa que há mais prótons do que elétrons. Por outro lado, quando há mais elétrons, o objeto tem carga elétrica negativa. Por fim, nos casos em que o número de elétrons é igual ao número de prótons, o comportamento eletrostático é neutro. Tudo isso só pode acontecer pela adição ou subtração de elétrons, já que os prótons estão fixos ao núcleo.
Tudo isso pode ser quantificado por meio de uma fórmula, em que Q = carga elétrica, n = número de elétrons em falta ou excesso, e = carga fundamental dos elétrons. Nesse caso, a única constante é o e, que representa um valor adotado como a carga de uma unidade eletrônica: e = 1,6.10-19.
Q = n.e
Quando há mais elétrons que prótons, Q<0
Quando há mais prótons do que elétrons, Q>0
O resultado é fornecido na unidade de Coulombs (C), [Q]=C
Eletrização
Dentro do contexto de cargas elétricas, foi observado que há diferentes formas de induzir a movimentação dos elétrons em um corpo. O processo de fazer com que um corpo eletricamente neutro tenha um valor de carga elétrica é chamado de eletrização.
A eletrização pode acontecer por contato, quando um corpo com carga elétrica entra em contato com outro, que pode ter carga ou estar neutro. Nesse caso, a quantidade de cargas em cada objeto será igual a média aritmética das cargas elétricas.
Por exemplo, quando um corpo de carga +4 C toca um outro objeto de carga -2 C, qual será a carga final deles?
Q = Média aritmética das cargas
Média aritmética das cargas = soma das cargas / número de corpos
Q = + 4 – 2 / 2
Q = 2C, em cada objeto.
Outra forma de eletrizar um corpo é por meio de atrito. Nesse caso, dois ou mais objetos são friccionados entre si, de forma que um perderá seus elétrons para o outro. A quantidade de elétrons enviada por um é igual ao número de elétrons recebidos pelo outro. Assim, as cargas finais terão valor igual, com sinais opostos, como demonstra a imagem.
Por fim, ainda há a eletrização por indução, quando há um grande corpo indutor, que favorece uma polarização das cargas dentro do corpo. Por exemplo, um cilindro que esteja próximo a um indutor pode fazer com que as cargas negativas fiquem mais próximas ao lado esquerdo e as cargas positivas, para o lado direito.
Depois disso, os dois objetos são afastados e o corpo que sofreu a polarização é aterrado à Terra. Durante esse processo, haverá uma troca de cargas entre a terra e o material. Ao final, o material ficará eletricamente carregado.
Força elétrica
A força elétrica é uma grandeza vetorial que surge quando dois corpos eletricamente carregados estão próximos um do outro. Isso acontece porque objetos de cargas elétricas diferentes tendem a se atrair, enquanto que cargas elétricas iguais têm um comportamento de repulsão.
Diante disso, foi criada uma fórmula para relacionar a quantidade de carga do corpo 1 (q1), a quantidade de cargas do corpo 2 (q2) e a distância entre eles (r). Foi necessário adicionar, no cálculo, a constante eletrostática no vácuo ke = 9.109 N.m2/C2.
Em primeiro lugar, a imagem demonstra a repulsão entre duas cargas elétricas positivas. Na segunda linha, a atração eletrostática entre corpos de cargas opostas. Note que a fórmula para calcular essas forças está determinada de forma que o valor da força é o mesmo, na mesma interação, o que muda é o sentido do vetor.
+ Veja também: Cálculo vetorial: o que é, como fazer e aplicações
Campo elétrico
O campo elétrico é uma região que fica ao redor das cargas elétricas, locais onde elas podem exercer certa influência. Por exemplo, uma carga positiva possui vetores de campo elétrico capazes de atrair ou repelir outros corpos.
A fórmula que determina o campo elétrico, matematicamente, é:
E = ke.q / d2
E = campo elétrico
constante eletrostática no vácuo: ke = 9.109 N.m2/C2
q = carga elétrica em questão
d = distância entre o ponto observado e a carga elétrica
constante eletrostática no vácuo: ke = 9.109 N.m2/C2
O resultado é dado em Newton/Coulomb (N/C)
Potencial elétrico
Potencial elétrico (U) é o conceito da eletrostática que relaciona a quantidade de energia elétrica em um campo, para cada coulomb de carga. Ou seja, qual quantidade de energia é armazenada em um carga quando ela está sob a ação do campo elétrico gerado por uma carga q, a uma distância de d metros desse corpo.
U = ke.q /d
U = potencial elétrico
q = carga elétrica em questão
d = distância entre o ponto observado e a carga elétrica
O resultado é conferido na unidade de volts (V)
Energia potencial elétrica
Quando duas cargas Q1 e Q2 estão a uma distância d entre si, elas armazenam energia em potencial, que poderá ser transformada em energia cinética ou térmica, por exemplo. Esse é o conceito de energia potencial elétrica, que tem a fórmula:
EP = ke.Q1.Q2/d
EP = Energia potencial elétrica
constante eletrostática no vácuo: ke = 9.109 N.m2/C2
Q1 e Q2 = cargas elétricas em questão
d = distância entre Q1 e Q2
+ Veja também: Eletrodinâmica: o que é, conceitos, fórmulas e aplicações
Questão sobre eletrostática
(PUC-RJ) Dois bastões metálicos idênticos estão carregados com carga de 9,0 µC. Eles são colocados em contato com um terceiro bastão, também idêntico aos outros dois, mas cuja carga líquida é zero. Após o contato entre eles ser estabelecido, afastam-se os três bastões. Qual é a carga líquida resultante, em µC, no terceiro bastão?
a) 3,0
b) 4,5
c) 6,0
d) 9,0
e) 18
Para resolver esta questão, é necessário relembrar as ordens de grandeza, em que µ (lê-se “micro”) é µ = 10-6. Depois, trazer à tona os conceitos de eletrização. O enunciado deixa claro um simples contato entre os corpos, sem atrito ou indução e aterração.
Conforme aprendemos, em uma eletrização por contato, o valor de carga encontrado será igual para todos os objetos. Esse valor é a média aritmética das cargas fornecidas no enunciado.
Bastão 1 = 9 µC
Bastão 2 = 9 µC
Bastão 3 = 0
Carga líquida em cada bastão = média aritmética
Média aritmética = soma das cargas / número de bastões
Carga líquida em cada bastão = 9 + 9 + 0 / 3
Carga líquida em cada bastão =18 / 3
Carga -2d6c518887d9″ class=”textannotation disambiguated wl-thing” itemid=”https://data.wordlift.io/wl110249/entity/liquido”>líquida em cada bastão =6 µC, como diz a alternativa C.
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