FACULDADE PITÁGORAS DISCIPLINA: FÍSICA GERAL

FACULDADE PITÁGORAS
ELETROSTÁTICA
Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos
[email protected]
www.oficinadapesquisa.com.br
UNIDADE I
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Conceito de carga elétrica
Conceitos fundamentais da eletrostática
Lei de Coulomb
Campo Elétrico
Potencial Elétrico
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [1]
Os fenômenos de natureza elétrica são conhecidos pelo
homem desde a época das cavernas. Naquela época os
homens viam o raio, ouviam o trovão mas não tinham
explicação para isso. Muitos mitos surgiram em diversas
culturas tentando explicar esse poder da natureza.
O termo eletricidade tem origem etimológica na palavra
elektron, que é o nome grego para o âmbar, um tipo de
resina secretada por alguns tipos de árvores e que se
petrifica ao longo dos séculos. Os gregos descobriram
que o âmbar, ao ser esfregado em peles de animais ou
em um pedaço de lã, adquiria a propriedade de atrair
alguns objetos leves.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [2]
Imagens de âmbar retiradas da Internet
O âmbar é uma forma de defesa das árvores contra bactérias e
insetos que perfuram a casca para chegar aos vasos condutores
de seiva dentro do caule. Com o tempo, as substâncias orgânicas
que formam o âmbar perdem o ar e água de seu interior formando
uma resina petrificada que resiste ao tempo.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [3]
O ato de esfregar um objeto em outro foi a primeira
forma utilizada pelo ser humano para produzir
eletricidade. Posteriormente descobriu-se que o atrito
entre corpos diferentes tem o poder de arrancar
cargas elétricas de um corpo para outro.
O conceito de carga elétrica depende da unidade básica
de formação da matéria, que nós conhecemos pelo
nomes de átomo. Aliás, a palavra átomo tem origem na
Grécia antiga, cerca de 4 séculos antes de Cristo. A
primeira pessoa a criar essa palavra foi o filósofo présocrático Demócrito e significa indivisível (prefixo “a”
significa negação; “tomo” significa divisão).
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [4]
Um átomo é composto de um núcleo, circundado por uma
coroa ou eletrosfera. O núcleo contém dois tipos de
partículas: prótons e nêutrons. A eletrosfera possui
outro tipo de partícula fundamental, chamada de
elétron.
Os prótons possuem carga elétrica positiva, e uma
massa cerca de 1836 vezes maior que a do elétron. O
elétron possui uma carga elétrica de mesmo valor da
carga do próton, porém com sinal negativo. Os nêutrons
não possuem carga elétrica, mas possuem uma massa de
valor equivalente à massa do próton, cerca de 1839
vezes maior que a massa do elétron.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [5]
A maior parte da massa de um átomo está concentrada
em seu núcleo (mais de 99,9%). Os elétrons ficam em
uma órbita muito maior que o tamanho do núcleo. Em
outras palavras, a maior parte da matéria é, sob o ponto
de vista atômico, composta por espaço vazio.
Toda partícula que forma um átomo é chamada de
subatômica, sendo esse o caso dos prótons, nêutrons e
elétrons.
Entretanto,
dentre
essas
partículas
subatômicas, apenas o elétron é considerado hoje uma
partícula elementar, ou seja, não é formado por outras
partículas ainda menores. Prótons e nêutrons não são
partículas elementares.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [6]
Um próton é formado por três partículas elementares
chamadas de quarks, a saber, dois quarks do tipo up e
um quark do tipo down.
Um nêutron é formado também por três partículas
elementares, sendo dois quarks down e um quark up.
Essa diferença é responsável pelos diferentes valores
de massa e carga entre as partículas.
Massa do próton:
1,67 x 10-27 kg
Massa do nêutron:
1,69 x 10-27 kg
Massa do elétron:
9,11 x 10-31 kg
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [7]
Apesar da grande diferença de massa entre um próton
e um elétron, os dois tem a mesma quantidade de carga
elétrica, e essa quantidade de carga elétrica é chamada
de e, definida como carga elétrica fundamental, ou seja,
a menor quantidade de carga elétrica possível.
Nesse caso, e = 1,6 x 10-19 C, em que “C” significa
Coulomb, a unidade de medida para cargas elétricas. Por
convenção, o próton tem uma carga elétrica igual a +1 e.
De maneira semelhante, o elétron possui igual a -1 e.
Carga elétrica do próton: + 1,6 x 10-19 C
Carga elétrica do elétron: - 1,6 x 10-19 C
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [8]
Uma característica de toda matéria é o fato de ser
formada por átomos, e a principal característica de
todos os átomos é o fato deles serem eletricamente
neutros. O que isso significa?
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [9]
Significa que todo átomo é eletricamente neutro, ou
seja, possui o mesmo número de prótons e de elétrons,
e por esse motivo, a carga elétrica total de um átomo é
zero. Outro conceito importante é que a carga elétrica
é uma propriedade da matéria, assim como a massa.
Sabemos que toda matéria ocupa um lugar no espaço, e
para que isso aconteça, deve possuir massa, que em
presença de um campo gravitacional, é atraída por esse
campo por uma força chamada peso.
De modo análogo, toda matéria possui carga elétrica, e
a maneira como essa carga elétrica se comporta quando
está em repouso é o objeto de estudo da eletrostática.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [10]
Como já vimos anteriormente, a massa é uma
propriedade da matéria, e a unidade de medida de
massa é a grama.
De modo análogo, a carga elétrica é uma propriedade da
matéria, e a unidade de medida da carga elétrica é o
Coulomb. Vimos também que a menor quantidade de
carga elétrica possível corresponde à carga elementar
definida como e, cujo valor é e = 1,602176487 x 10-19 C
Para fins de simplificação, vamos considerar o valor de
e = 1,6 x 10-19 C. Assim, um elétron tem carga –e e um
próton possui carga +e.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [11]
Reforçando, um átomo sempre é neutro, pois possui o
mesmo número de prótons e elétrons.
Um átomo que ganha ou perde elétrons deixa de ser
átomo e torna-se um íon. Em outras palavras, um átomo
que possui carga elétrica é chamado de íon.
Se um átomo ganha elétrons, passa a ter mais cargas
negativas (elétrons) que positivas (prótons). Um íon com
carga negativa é chamado de ânion.
Se um átomo perde elétrons, passa a ter mais cargas
positivas (prótons) que negativas (elétrons). Um íon com
carga positiva é chamado de cátion.
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [12]
É importante destacar que o conceito de carga elétrica
sempre diz respeito ao ganho ou à perda de elétrons, ou
seja, não é possível (normalmente) um átomo ganhar ou
perder prótons, porque eles estão presos dentro do
núcleo do átomo por ação de uma força muito forte
(força nuclear).
Para que isso (ganho ou perda de prótons) aconteça são
necessárias reações físicas muito intensas. Isso ocorre,
por exemplo, dentro das estrelas (fusão nuclear),
dentro de aceleradores de partículas, reatores
nucleares e bombas atômicas (fissão nuclear).
CONCEITO DE CARGA ELÉTRICA [13]
Desse modo, quando falamos em carga elétrica de um
átomo ou de um corpo, estamos sempre falando da
perda ou ganho de elétrons. Em outras palavras, a carga
elétrica de um corpo depende do número de elétrons.
Outra característica da carga elétrica é que ela é
sempre quantizada, ou seja, a quantidade de carga
elétrica de um corpo é sempre um número inteiro
multiplicado pela carga elétrica elementar (e).
Assim é possível saber qual é a carga elétrica de um
corpo quando sabemos qual é a quantidade de elétrons
que o corpo ganhou ou perdeu.
CÁLCULO DA QUANTIDADE DE CARGA ELÉTRICA
A carga elétrica de um corpo é dada pela fórmula:
q=n.e, onde: q quantidade de carga elétrica
n
número de elétrons (ganhados ou perdidos)
e
carga elétrica fundamental
Exemplo 1: Um corpo eletricamente neutro ganhou 5000
elétrons. Qual é a carga elétrica desse corpo?
q = (-5 x 103).(1,6 x 10-19 C) = -8 x 10-16 C
Exemplo 2: Um corpo eletricamente neutro perdeu 10
elétrons. Qual é a carga elétrica desse corpo?
q = (101).(1,6 x 10-19 C) = +1,6 x 10-18 C
PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA [1]
Se duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) forem
colocadas no espaço a uma distância d uma da outra, vai
surgir uma força elétrica entre essas duas cargas.
Essa força elétrica entre essas duas cargas, possui
algumas características, a saber:
1. Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem (próton
repele próton; elétron repele elétron) – força
elétrica de repulsão.
2. Cargas elétricas de sinais contrários se atraem
(próton atrai elétron próton; elétron atrai próton) –
força elétrica de atração.
PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA [2]
3. A força elétrica de atração ou repulsão entre duas
cargas elétricas depende muito da distância entre as
duas cargas. Na verdade, como veremos mais tarde,
essa força é inversamente proporcional ao quadrado
da distância entre as cargas.
4. Qualquer corpo eletricamente neutro é sempre
atraído quando colocado no espaço a uma certa
distância de uma carga elétrica, independente do
sinal dessa carga elétrica. Em outras palavras, entre
um corpo carregado com uma carga elétrica e um
corpo neutro sempre há uma força elétrica de
atração.
PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA [3]
5. Uma carga q1 colocada a uma distância d de uma
carga q2 vai induzir um força elétrica (de atração ou
repulsão, dependendo da natureza da carga) em q2
igual a F1.
6. Da mesma maneira, a carga q2 induz uma força F2 em
q1. As forças em q1 e q2 são sempre idênticas,
independente dos valores de cada carga, devido à
terceira Lei de Newton (princípio da ação e reação).
7. Logo, quando se fala em força elétrica entre duas
cargas elétricas, estamos na verdade falando de
duas forças, F1 e F2, idênticas em valor (módulo) e
direção, mas com sentidos opostos.
PRINCÍPIOS DA ELETROSTÁTICA [4]
Atração entre um corpo
carregado e um corpo neutro
MATERIAIS ELÉTRICOS [1]
Uma característica elétrica dos materiais é a existência
de condutores, isolantes e semicondutores.
Define-se condutor como o tipo de material que permite
a passagem de uma corrente elétrica (fluxo de cargas
elétricas em uma certa direção).
Os metais são exemplos de bons condutores de
eletricidade, porque alguns elétrons de cada átomo
estão relativamente livres da força de atração de seus
respectivos núcleos, e por esse motivo, eles podem se
movimentar livremente através do material. As soluções
iônicas também são exemplos de bons condutores de
eletricidade.
MATERIAIS ELÉTRICOS [2]
Em um condutor, os elétrons da
camada de valência estão fracamente
presos
aos
núcleos
de
seus
respectivos átomos. Por esse motivo,
eles ficam relativamente livres para
se movimentar no material.
Em uma solução iônica, os
íons ficam livres para se
movimentarem em meio à
solução.
MATERIAIS ELÉTRICOS [3]
Um material isolante é aquele em que os elétrons estão
fortemente presos a seus núcleos. Por esse motivo, os
materiais isolantes impedem ou dificultam muito a
passagem de cargas elétricas através deles.
Assim, materiais como o ar, a borracha, madeira e o
vidro são isolantes. Outro material que é isolante é a
água 100% pura (somente moléculas de H20).
Entretanto é importante destacar que não existem
isolantes perfeitos. De modo geral, pode-se dizer que
todo isolante (ou dielétrico) é isolante até um certo
limite, quando ele começa a conduzir. Quando isso
acontece, “rompe-se o dielétrico”.
MATERIAIS ELÉTRICOS [4]
Por exemplo, o ar é isolante, mas quando existe um
acúmulo de cargas elétricas nas nuvens, pode acontecer
uma descarga elétrica, e nesse caso, o ar, que era um
isolante, passa a conduzir – e assim, é possível ver o clarão
de um relâmpago.
Assim, jamais imagine que o fato de você estar utilizando
um chinelo de borracha (que é um isolante) pode te
proteger de uma descarga elétrica, ou se um fio de alta
tensão cair sobre um carro, que este possa ser afastado
por um cabo de vassoura, só porque a madeira é isolante.
Caso você se sinta protegido em uma dessas situações, é
porque não sabe o perigo de morte que está enfrentando.
MATERIAIS ELÉTRICOS [5]
O último tipo de material elétrico que existe é o
semicondutor, que será estudado em maiores detalhes
em disciplinas que tratem de eletrônica.
Por enquanto, basta saber que é um tipo de material que
possui propriedades de um condutor em um certo
sentido, e propriedades de isolante no sentido oposto,
ou seja, deixar fluir uma corrente elétrica, mais apenas
em uma direção.
Resumindo os
características
semicondutores
superisolantes.
materiais em relação às suas
elétricas:
condutores,
isolantes,
e supercondutores. Não existem
MATERIAIS ELÉTRICOS [6]
Condutores permitem a passagem de cargas elétricas em
qualquer direção, mas com alguma resistência ao fluxo
dessas cargas.
Isolantes impedem ou dificultam, até certo limite, a
passagem de cargas elétricas, opondo muita resistência ao
fluxo dessas cargas.
Semicondutores permitem a passagem de cargas elétricas
em apenas um sentido, funcionando como isolantes no
sentido oposto.
Supercondutores permitem a passagem de cargas elétricas
em qualquer direção, sem nenhuma resistência, mas apenas
em condições muito especiais, geralmente em temperaturas
próximas do zero absoluto (-273º C ou 0o Kelvin).
PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO
Eletrização é o processo por meio do qual um corpo
adquire uma certa quantidade de carga elétrica.
Existem basicamente três processos de eletrização:
1. Eletrização por atrito
2. Eletrização por contato
3. Eletrização por indução
Vamos estudar cada um desses processos a seguir:
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO [1]
O processo de eletrização por atrito ocorre quando
friccionamos dois materiais diferentes. Isso acontece
porque todo material possui uma capacidade de doar ou de
receber elétrons, em diferentes graus.
Um material eletronegativo é aquele que tem como principal
característica, a capacidade de receber elétrons. Em outras
palavras, se um material “gosta” de receber elétrons, é
porque ele quer ficar eletricamente negativo, ou seja, é
eletronegativo.
Já um material eletropositivo é aquele que a característica
de doar elétrons, ou seja, que ficar eletricamente positivo
(eletropositivo), e por essa razão, gosta de doar elétrons.
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO [2]
Para saber quais materiais são eletronegativos ou
eletropositivos, os cientistas fazem experiências em
laboratório esfregando materiais diferentes entre si
e verificando a carga resultante após o atrito dos
dois materiais. Essas experiências dão origem a
tabelas denominadas triboelétricas, que mostram a
tendência de um material a ficar eletronegativo ou
eletropositivo.
Veja um exemplo de série triboelétrica no próximo
slide:
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO [3]
Eletropositivo
Eletronegativo
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO [4]
Exercício de Fixação
Um bastão de PVC eletricamente neutro foi friccionado
contra um pedaço de lã também eletricamente neutra.
Nesse processo, foram transferidos 50 mil elétrons de
um material para o outro. Consultando a tabela anterior,
responda:
a) Qual material cedeu elétrons? R: O pedaço de lã
b) Qual material ganhou elétrons? R: O bastão de PVC
c) Qual a carga resultante de cada material após esse
processo? R: Q = n.e Q = 5 x 104 x 1,6 x 10-19
Q = 8 x 10-15 Q(Lã) = +8 x 10-15 Q(PVC) = -8 x 10-15
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO [1]
Em um processo de eletrização por contato, dois corpos
com materiais idênticos são colocados em contato. Em
corpos com materiais idênticos, a carga tende a se
distribuir uniformemente e de maneira igual nos dois
corpos. Se os corpos tiverem tamanhos diferentes, a
carga resultante é função da carga inicial de cada corpo e
do tamanho (volume) de cada corpo. Quanto maior o corpo,
maior é a capacidade desse corpo em acumular cargas.
É por esse motivo que quando falamos em Terra ou
aterramento, isso significa que a Terra é tão grande em
relação a outro corpo, que todas as cargas preferem ficar
na Terra do que ficar no outro corpo.
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO [2]
Considerando dois corpos metálicos esféricos feitos
com o mesmo material, mas com cargas diferentes,
quando os dois corpos são encostados um no outro, a
carga total se conserva, ou seja, a carga total ficará
igualmente distribuída nas duas esferas.
Por exemplo, suponha que uma esfera A com carga de
+1C seja encostada em uma esfera B sem carga elétrica
(neutra). Pelo princípio da conservação da energia
(nesse caso, carga elétrica), a carga total (+1C) é
igualmente distribuída pelas duas esferas. Assim, a
carga na esfera A será igual a +0,5C, e na esfera B a
carga será de +0,5C.
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO [3]
Exercício de Fixação
Três esferas metálicas idênticas (A, B e C) são
colocadas em contato de acordo com o processo abaixo.
Primeiro, a esfera A com carga igual a +5 mC é
encostada em uma esfera B com carga de -1mC, e depois
é afastada. Depois, a esfera B é encostada em uma
esfera C com carga igual a -6mC. Qual será a carga final
em cada esfera? R: QT = +5mC – 1mC – 6mC = -2mC
QA em QB (+5mC – 1mC) / 2 QA = QB = +2mC
QB em QC (+2mC – 6mC) / 2 QB = QC = -2mC
Logo: QA = +2mC; QB = -2mC; QC = -2mC; QT = -2mC
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO [1]
Quando aproximamos um corpo eletrizado A com uma
carga positiva de um outro corpo B sem carga elétrica,
já sabemos que entre eles acontece uma força de
atração. Isso acontece porque o corpo B fica
polarizado, ou seja, o corpo eletrizado A atrai elétrons
do corpo B devido à proximidade com o corpo A.
É importante destacar que o corpo B permanece com
carga elétrica neutra, ou seja, com o mesmo número de
prótons e elétrons, só que separados uns dos outros
devido à proximidade com um outro corpo carregado.
Essa situação é mostrada na Figura 1, no próximo slide.
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO [2]
Esse é o primeiro passo do processo de eletrização por
indução eletrostática. O corpo B está polarizado, mas
não carregado eletricamente.
Para continuar o processo, vamos ligar o corpo B à
Terra por meio de um fio condutor? O que vai
acontecer? Essa situação é mostrada na Figura 2 no
próximo slide.
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO [3]
Nessa situação descrita na Figura 2, o corpo B começa a
atrair elétrons da Terra. Pouco depois, cortamos a ligação
do corpo B com a Terra (Figura 3). Os elétrons não tem
como voltar para a Terra. Agora, ao afastarmos o corpo A,
o corpo B continua carregado devido ao excesso de
elétrons oriundos da Terra (Figura 4).
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO [4]
Exercício de Fixação
Explique o processo de eletrização por indução de um
corpo inicialmente neutro com uma carga positiva.
R: Primeiro aproximamos um corpo carregado com uma
carga negativa do corpo neutro, que queremos induzir uma
carga positiva. Nessa aproximação, o corpo neutro fica
polarizado porque o corpo carregado exerce uma força de
repulsão sobre os elétrons do corpo neutro. Ligamos o
corpo polarizado à Terra por meio de um fio condutor. A
Terra passa a receber elétrons do corpo polarizado. Ao
cortarmos a ligação, o corpo antes polarizado fica com
falta de elétrons, ou seja, com uma carga elétrica positiva.
Lei de Coulomb [1]
Já sabemos que entre existe uma força elétrica entre
corpos carregados eletricamente. Essa força pode ser de
atração (se as cargas dos corpos carregados tiverem
sinais opostos) ou de repulsão (se as cargas dos corpos
carregados tiverem o mesmo sinal).
A Lei de Coulomb permite calcular o módulo dessa força
quando as cargas envolvidas são pontuais, ou seja, a carga
elétrica está totalmente concentrada em um ponto.
Dados experimentais mostram que essa lei é válida até
mesmo a nível atômico, ou seja, ela permite o cálculo da
força de atração entre um próton e um elétron que está
orbitando o núcleo de um átomo.
Lei de Coulomb [2]
A Lei de Coulomb pode ser descrita assim: “A força
elétrica de atração ou repulsão entre duas cargas
puntiformes é diretamente proporcional aos valores das
cargas, o meio em que elas se encontram e inversamente
proporcional ao quadrado da distância que separam as
duas cargas”. Colocando esse enunciado como termos de
uma equação, chegamos à fórmula:
Lei de Coulomb [3]
Temos que nos lembrar toda força é uma grandeza
vetorial, ou seja, a fórmula da Lei de Coulomb nos permite
calcular apenas o módulo dessa força. Para sabermos a
direção e o sentido dessa força, precisamos de outros
conhecimentos, matemáticos (soma de grandezas
vetoriais) e físicos (princípios da eletrostática).
Na fórmula, K é uma constante que depende do meio em
que as cargas estão inseridas.
O valor aproximado de K para o vácuo é 9 x 109 N.m2/C2
Lei de Coulomb [4]
Exercício de Fixação 1
Dois prótons estão a uma distância de 10-14m de distância no
vácuo. Qual é o valor da força elétrica entre eles?
R: Qp = carga elétrica do próton = 1,6 x 10-19 C
A força elétrica entre os prótons será de repulsão.
‫=ܨ‬
ே.௠
9. 10ଽ . మ
஼
మ
.
ଵ,଺.ଵ଴షభవ . ଵ.଺.ଵ଴షభవ ஼ మ
(ଵ଴షభర )௠మ
F = 2,3 N
Repare que essa força de repulsão parece pequena, mas se
considerarmos que a massa do próton é de apenas 1,67 x 10-27Kg,
pela segunda lei de Newton, esses prótons iriam adquirir uma
aceleração igual a 1,37 x 1027 m/s2, o suficiente para atingir a
velocidade da luz (300.000 Km/s) em apenas 2,17 x 10-19 segundos.
Lei de Coulomb [5]
Exercício de Fixação 2
Existe uma força elétrica F de atração entre duas cargas
elétricas puntiformes de igual valor (igual a Q). Essa força F é
igual a 1 N, com as cargas separadas por 1 m de distância. Qual
seria a nova força de atração (F2) caso cada carga tivesse seu
valor duplicado e a distância entre elas fosse reduzida para
apenas 10 cm?
R: F = K.Q.Q/12 F = K.Q2 = 1 N
As cargas passam a ser 2Q (cada uma delas) e a distância é
diminuída para 0,1 m ou 10-1m. Logo:
F2 = K.2Q.2Q/(10-1)2 = K.4Q2/10-2 = 4x102.K.Q2 = 400 F
A nova força F2 é 400 vezes maior que F, ou seja, 400 N.
CAMPO ELÉTRICO [1]
O conceito de campo na física surge sempre que um
corpo fica sujeito a algum tipo de força em uma região
do espaço sem a necessidade de contato direto.
Assim, se tivermos uma corpo com uma massa m no
espaço, essa massa m vai criar na região em volta dela
um campo de força gravitacional.
De maneira semelhante, se tivermos uma carga elétrica
q no espaço, essa carga elétrica q vai criar na região em
volta dela um campo de força elétrico.
Por analogia, se tivermos um imã no espaço, esse imã irá
gerar um campo magnético na região em volta dele.
CAMPO ELÉTRICO [2]
No caso de uma carga elétrica colocada em uma região
qualquer do espaço, ela cria na região em torno dela um
campo elétrico que vai atuar com uma força elétrica
sobre uma segunda (ou qualquer outra) carga elétrica
que seja colocada na vizinhança da primeira carga.
Resumindo, qualquer carga elétrica cria um campo
elétrico, e qualquer outra carga elétrica colocada em
uma região próxima de uma carga elétrica vai sentir a
influência do campo elétrico criado por essa carga sob a
forma de uma força, e vice-versa.
É importante destacar que o campo elétrico é um vetor,
ou seja, possui módulo, direção e sentido.
CAMPO ELÉTRICO [3]
Assim, em uma região onde existe um campo elétrico, o
vetor campo elétrico E deve ser representado por meio de
uma seta. O tamanho dessa seta representa graficamente o
valor ou módulo do campo elétrico. A orientação espacial do
vetor representa a direção do campo elétrico, e o sentido da
seta mostra em qual sentido a força elétrica criada por uma
carga vai atuar na presença de uma outra carga.
Campos elétricos são medidos em N/C. Assim, caso eu tenha
um campo elétrico de 10 N/C em um certo ponto do espaço,
se eu colocar uma carga de 1 C nesse ponto ela irá sofrer
uma força de 10 N. Se a carga for de 2 C, a força será de
20 N, e assim por diante.
CAMPO ELÉTRICO [4]
Assim, se o campo elétrico é medido em N/C, então o valor
(módulo) do campo elétrico deve ser calculado pela fórmula
E = F/q. O significado de um vetor que representa um campo
elétrico em um determinado ponto do espaço, representado
por uma seta, pode ser definido da seguinte maneira:
1. O tamanho da seta representa o valor do campo elétrico
(módulo do vetor) sobre uma carga.
2. A orientação espacial da seta representa a direção do
campo elétrico.
3. O sentido da seta representa o sentido da força elétrica
nesse ponto, caso seja colocado ali uma carga elétrica
positiva.
CAMPO ELÉTRICO [5]
Uma vez que o vetor campo elétrico te mostra em que
direção e sentido uma carga elétrica positiva sente força,
se colocarmos nesse ponto uma carga negativa, ela sentirá
uma força na mesma direção, mas no sentido oposto.
Em outras palavras, uma carga elétrica positiva sente a
força elétrica junto com o campo elétrico, e uma carga
elétrica negativa sente a força elétrica contra o campo.
Isso acontece porque uma carga elétrica positiva cria um
campo elétrico em que as linhas de força tem origem
nesse tipo de carga, ou seja, cargas positivas criam um
campo elétrico para fora.
CAMPO ELÉTRICO [6]
Já uma carga elétrica negativa cria um campo elétrico que
aponta para dentro da carga, ou seja, as linhas de força de
um campo elétrico gerado por uma carga negativa terminam
na carga negativa. Veja a representação gráfica abaixo:
CAMPO ELÉTRICO [7]
Se tivermos duas cargas elétricas no espaço, sendo uma
positiva e a outra negativa, a distribuição das linhas de força
do campo elétrico ficará assim:
Repare que o vetor campo elétrico é sempre tangente às
linhas de força do campo.
CAMPO ELÉTRICO [8]
Se tivermos duas cargas elétricas de mesmo sinal no espaço,
por exemplo, duas cargas positivas, a distribuição das linhas
de força do campo elétrico ficará assim:
Repare que o vetor campo elétrico é sempre tangente às
linhas de força do campo.
POTENCIAL ELÉTRICO [1]
POTENCIAL ELÉTRICO [2]
Para se deslocar esta carga de prova do ponto A para
um outro ponto B, localizado no infinito, gasta-se
energia, ou seja, será realizado um trabalho.
Assim, a partir da situação mostrada na figura anterior,
define-se potencial elétrico como o trabalho realizado
pela força elétrica, por unidade de carga, para deslocar
uma carga de prova de um ponto qualquer até o infinito.
Costuma-se dizer que entre o ponto A e o ponto B
existe uma diferença de potencial. Esta ddp pode ser
denominada como voltagem ou tensão entre os pontos A
e B.
POTENCIAL ELÉTRICO [3]
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO [1]
1. Suponha que uma carga positiva q = 2,0 x 10-7 C foi
deslocada de um ponto A para um ponto B, e sobre
ela foi realizada um trabalho TAB = 5,0 x 10-3 J.
Calcule a diferença de potencial (tensão) entre os
pontos A e B.
2. Considerando o exemplo anterior, qual seria a ddp
entre esses dois pontos para uma carga q = 2 µC e
um trabalho TAB = 2 x 10-3J ?