Eletricidade das cargas estáticas

Eletricidade das cargas estáticas
Vanderlei S. Bagnato – Professor do IFSC-USP
UM PROGRAMA DE COOPERAÇÃO ENTRE A UNIVERISDADE DE SÃO
PAULO E A UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
Eletricidade das cargas estáticas
A matéria é essencialmente feita de cargas. Os elétrons e os prótons é que nos
mantêm como corpos. Para que isso ocorra, há fenômenos naturais com relação às
cargas elétricas que explicam a forma dos corpos, como ocorrem as reações químicas
etc.
Os fenômenos elétricos dominam o mundo e são o principal fator de
desenvolvimento. Cargas interagindo e se movimentando criam os ingredientes da
eletrônica moderna e com ela toda nossa modernidade. Não temos, hoje, nenhuma
parte da engenharia que possa sobreviver sem o devido entendimento dos fenômenos
elétricos. Este fenômeno é estudado dentro da chamada eletricidade.
A ideia de eletricidade não é nova, e remonta aos estudiosos gregos. No
entanto, somente na era contemporânea da ciência, é que foi possível o verdadeiro
entendimento desses fenômenos.
Atritar dois corpos e verificar que um deles, ou os dois, adquire uma
característica estranha de atrair pequenos pedaços de papel ou poeira, foi observado
há milênios. No entanto, descobrir tudo o que está por trás disso, demorou bastante.
As leis básicas da interação entre os corpos eletrizados vieram antes desse
entendimento. Coulomb observou que a atração ou repulsão entre objetos eletrizados
dependia da quantidade de carga presente neles, bem como da distância entre eles.
Com isso, nascia uma das mais importantes leis da física, a lei de Coulomb.
SAIBA MAIS
Charles Augustin de Coulomb nasceu na
França em 1736. Engenheiro de formação,
Coulomb foi principalmente físico. Em 1783,
publicou 7 tratados sobre eletricidade e
magnetismo, além de outros sobre torção,
atrito entre sólidos. Experimentador genial e
rigoroso realizou uma experiência histórica
com uma balança de torção para determinar
a força exercida entre duas cargas elétricas
(lei de Coulomb).
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Expressão para determinação da Força elétrica
𝐹⃗ = 𝑘
𝑞1 𝑞2
𝑟
𝑟2
Onde K é a chamada constante de Coulomb
𝑚2
k ≈ 8.98 x 10 N. 2
𝐶
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Com a teoria da eletricidade somos capazes de entender como as cargas se atraem ou
se repelem, viabilizando o estudo da eletricidade. Por muito tempo esse tipo de
investigação ficou restrita ao entendimento de como era possível eletrizar corpos
neutros e como que esta eletrização poderia passar de um corpo a outro.
Desde o início, percebeu-se a grande importância do planeta nesse processo.
Ao se conectar um corpo eletrizado ao solo (aterramento), entende-se claramente a
capacidade de a Terra receber ou fornecer cargas aos objetos.
A eletricidade recebeu um grande avanço com a descoberta dos elétrons. Saber
que os elétrons presentes nos átomos podem se mover, pulando de um tipo de átomo
a outro, ou podem ser removidos sob a ação de uma força, permitiu entender de forma
científica o resultado de séculos de observações desses fenômenos.
A eletrização, a interação entre objetos e mesmo o efeito da Terra nesses
fenômenos, tomou um corpo científico de entendimento, em nível microscópico.
Quando atritamos corpos, os elétrons dos átomos que os constituem sofrem forças,
podendo ocorrer a remoção de um corpo e o depósito deles no outro.
O conhecimento da constituição atomística da matéria e a visão microscópica
dos reais elementos responsáveis pelos fenômenos elétricos permitiram o
entendimento acerca da forma e das propriedades dos corpos. A formação das
chamadas ligações químicas, nada mais é do que um fenômeno de interação entre
cargas positivas e negativas.
Como uma carga pode ser posicionada em um tipo ou outro de átomos, cria-se
a possibilidade de átomos mudarem sua forma e, consequentemente, sua preferência
nas ligações químicas. Com isso, temos uma grande variedade de reações químicas
que ocorrem em toda a natureza. Elas são fenômenos essencialmente elétricos.
Descrever as interações elétricas por meio das distribuições de cargas não foi
um processo imediato. Se uma carga, denominada carga de prova, for posicionada
ao redor de uma distribuição de carga, ela fica sujeita a forças elétricas. Este fato torna
possível entender o conceito de campo elétrico.
Descrever os fenômenos elétricos por um campo, não é nada diferente das leis
de Coulomb, apenas é mais conveniente. Existindo um campo elétrico, sabemos que
cargas posicionadas naquela região do espaço ficam sujeitas a forças e, dessa forma,
para saber o que ocorrerá sobre uma carga, basta conhecer o campo elétrico na região.
O conceito de campo elétrico representa uma evolução na forma de descrever
os fenômenos elétricos, e mesmo de visualizar as características elétricas do espaço.
As chamadas linhas de campo, são formas de se visualizar como as
propriedades elétricas de uma região do espaço estão distribuídas.
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Analisando as linhas de campo, somos capazes de prever todo o comportamento
de uma carga de prova naquela região, sem mesmo fazer as contas.
Essa geometrização do campo elétrico é uma forma adequada de a engenharia
entender como é possível evitar os fenômenos elétricos, quando eles interferem com
outros, ou mesmo desenhar situações que permitam o melhor ou mais adequado uso
da eletricidade.
Ao investigarmos as linhas de campo surge a necessidade de se prever o
montante de energia que é capaz de ser transmitida a cargas naquela redondeza por
meio da força elétrica.
Para isso, foi criado o conceito de potencial elétrico. Conhecendo a diferença
de potencial entre dois pontos, é possível saber o quanto de energia uma carga irá
adquirir ou perder, caso ela sofra um deslocamento, mesmo sem a informação sobre
a sua trajetória.
Certamente isso amplia e facilita nossa capacidade de prever os fenômenos
dessa natureza. Além disso, é preciso dizer que o conceito de força (pela lei de
Coulomb) ou o de campo elétrico são de natureza vetorial, tornando seu uso mais
cuidadoso, pois sempre é necessário o fornecimento de direção, sentido e amplitude
em cada ponto. Já o conceito de potencial elétrico é escalar, simplificando de modo
acentuado, a forma com que podemos lidar com a eletricidade.
O entendimento básico da eletricidade é fundamental, já que na natureza temos
os átomos formados por cargas e massa, e é a eletricidade que garante a eles se
ligarem formando tudo ao nosso redor.
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Força elétrica
𝐅=𝐊
𝑄1 𝑄2
𝑟2
, onde
K ≈ 9 x 109 Nm²/C (constante elétrica universal ou de Coulomb)
Q1, Q2: cargas [C]
r: distância entre as cargas
Campo elétrico
|𝐸⃗⃗ | =
𝑘𝑄
𝑟2
, onde
Consequentemente,
⃗⃗⃗⃗
𝐹
K ≈ 9 x 109 Nm²/C (constante elétrica universal ou de Coulomb)
Q: carga geradora do campo [C]
r: distância a partir da carga
⃗⃗⃗⃗𝑞
=𝐸
Potencial elétrico
Energia = Trabalho = W = F . d = E . q . d , onde E . d = ΔV
ΔV . q = W = Energia
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