Área da física que estuda a eletricidade, fênomenos e propriedades elétricas dos corpos e das cargas elétricas.
Por ser um conceito primitivo, carga elétrica não possui definição, sabemos porém que elétrons e prótons possuem carga, tal que os elétrons têm carga negativa e representada por Qe, enquanto que a carga dos prótons simbolizada por Qp é positiva.
Carga dos elétrons: Qe, negativa
Carga dos prótons: Qp, positiva
Porém em módulo as cargas dos elétrons é igual às cargas dos próton |Qe| = |Qp| = e
e: é a carga elétrica elementar, uma grandeza escalar (não possui direção nem sentido) que equivale a ±1,6.10-19 C
C: unidade padrão de carga elétrica, Coulomb, dizer que um corpo possui uma carga de 1 C significa dizer que ele perdeu ou ganhou 6,25.1018 elétrons.
A carga elétrica de um corpo (Q) é dada pela fórmula Q = ne
Q: carga elétrica de um corpo
e: carga elétrica elementar
n: quantidade de elétrons em falta ou excesso, número inteiro
A carga de um corpo é um múltiplo inteiro da carga elétrica elementar, dize-se portanto que a carga elétrica é quantizada.
Agora considere um corpo com np prótons e ne elétrons:
se np = ne o corpo está eletricamente neutro
se np > ne o corpo está eletricamente positivo
se np < ne o corpo está eletricamente negativo
Atenção: mesmo que um corpo esteja eletricamente neutro ele possui cargas elétricas positivas e negativas, uma anulando a outra.
Propriedades das cargas elétricas
Princípio da atração e repulsão
Cargas de mesmo sinal se repelem, cargas de sinais opostos se atraem.
Princípio da conservação da carga
“A carga elétrica total em um sistema eletricamente isolado nunca varia.”
Carga elétrica total é o somatório de todas as cargas que compõem um sistema e eletricamente isolado significa que ele não troca carga com o meio externo.
Mobilidade das cargas
Os corpos podem ser classificados de acordo com a facilidade com a qual as cargas elétricas se movimentam em
Isolantes ou dielétricos
As cargas possuem grande dificuldade em se locomoverem, exemplos: vidro, plástico, madeira, ar, borracha etc
Semicondutores
As cargas possuem alguma dificuldade para se locomoverem, a locomoção das cargas depende também da temperatura à qual o corpo está submetido, exemplos: silício, germânio
Condutores
A dificuldade que as cargas tem de se locomoverem é pequena, exemplos: corpo humano, salmoura, mercúrio etc
Estes podem ainda ser subclassificados em:
Condutores de primeira classe: os portadores de carga são os elétrons livres, exemplos: grafita e metais
Condutores de segunda classe: os portadores de carga são íons, exemplos: soluções aquosas de sais, ácidos ou bases
Condutores de terceira classe: os portadores de carga são íons ou elétrons livres, os principais condutores de terceira classe são gases ionizados, exemplos, lâmpada fluorescente.
Supercondutores
As cargas não possuem nenhuma ou uma baixíssima dificuldade de locomoção, normalmente só podemos ter supercondutores em temperaturas próximas ao 0 absoluto, exemplos: mercúrio submetido a uma temperatura menor ou igual a 4k, chumbo 7k, contudo alguns materiais cerâmicos que contenham óxido de cobre, lantânio ou ítrio podem ser supercondutores a 125k.
Podemos remover ou fornecer carga elétrica a um corpo, este processo é conhecido como ...
Eletrização
Processo de fornecimento de carga elétrica a um corpo eletricamente neutro, o processo oposto ao da eletrização é conhecido como neutralização ou descarga.
Um corpo pode ser eletrizado por
Atrito
Ao atritar dois corpo eletricamente neutros de materiais diferentes um retira elétrons do outro ficando negativo e o outro positivo.
Exemplo, esfregar um pedaço de tecido em um pedaço de madeira.
Contato
Ao colocar condutores eletrizados em contato, dependendo das dimensões e das cargas armazenadas, pode ocorrer a transferência de carga entre eles.
A seguir temos 2 esferas
quando elas são colocadas em contato alguns elétrons de B passam para A
Obs.: as cargas positivas de A continuam em A, elas não saem do canto
como B perdeu elétrons ela também ficará positiva e A fica com uma carga menor que a inicial
Um caso notório é quando n condutores esféricos idênticos são colocados em contato simultaneamente com cargas iniciais q1, q2, ... qn e são separados posteriormente. Todas as esferas possuirão cargas finais iguais após o processo, dada por
q = (q1 + q2 + ... +qn)/n
Agora A está negativa
quando elas são colocadas em contato alguns elétrons de A passam para B
e B ficará negativa
Nas imagens acima considera-se que A e B são condutoras, se não fossem, as cargas ficariam aglomeradas na área de contato.
Indução
Aproximar um condutor eletrizado (indutor) de um neutro (induzido) sem que haja contato.
Temos as esferas
ao aproximar o indutor do induzido, as cargas positivas do primeiro atraem as cargas negativas do segundo provocando uma polarização
as cargas positivas do induzido e do indutor repelem-se mutuamente, contudo, as cargas positivas do indutor atraem as cargas negativas do induzido e como estas estão mais próximas umas das outras a força de atração é maior que a de repulsão.
Se ligarmos o polo positivo do induzido a terra os elétrons sobem pelo fio em direção a esfera
Se o indutor estiver negativo
ao aproximar o indutor do induzido, as cargas negativas do primeiro repelem as cargas negativas do segundo provocando uma polarização
as cargas negativas do induzido e do indutor repelem-se mutuamente, contudo, as cargas negativas do indutor atraem as cargas positivas do induzido e como estas estão mais próximas umas das outras a força de atração é maior que a de repulsão.
Se ligarmos o polo negativo do induzido a terra os elétrons descem pelo fio em direção a terra
Condutores em contato com a terra
Sempre que um condutor eletrizado entra em contato com a terra ele é neutralizado/descarregado.
Se ele estiver positivo os elétrons sobem pelo fio terra em direção ao condutor
Se ele estiver negativo os elétrons descem pelo fio em direção à terra
Se um material condutor for eletrizado as cargas em excesso se distribuirão uniformemente pela superfície do material, devido à repulsão elétrica entre as cargas de mesmo sinal.
Se um material não condutor for eletrizado as cargas em excesso podem ficar localizadas em uma região dependendo de como o corpo foi eletrizado.
Força elétrica
Força elétrica ou lei de Coulomb, lei física que rege a interação eletrostática entre duas partículas carregadas. Proporcional às suas cargas e ao inverso do quadrado da distância entre elas.
Simplificando, duas cargas elétricas interagem entre si, repelindo-se ou atraindo-se, esta força que atrai ou repele uma a outra é a força elétrica.
Ela atua na direção da reta que une as cargas.
ou
fe: força elétrica
Note também que ela atua em ambas as cargas.
Podemos calcular sua intensidade pela fórmula \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ f = k { {|q_{1}|.|q_{2}|} \over {d^2} } }\)
f: força elétrica que atua nas partículas, unidade N, Newton
k: constante de proporcionalidade, \(k = { {1} \over {4.\pi.ε} }\), unidade Nm2/C2
ε(epsilon): permissividade absoluta do meio
q1: carga de uma das partículas
q2: carga da outra partícula
d: distância entre elas, deve estar em metros.
Novamente cargas de sinais iguais se repelem (força elétrica de repulsão)
cargas de sinais opostos se atraem (força elétrica de atração)
Temos também a permissividade relativa ou constante dielétrica (εr) de um meio, esta é o quociente da divisão da permissividade absoluta do meio (ε) pela permissividade absoluta do vácuo (ε0 ≅ 9.109 Nm2/C2), ou seja, εr = ε/ε0.
Agora considere q1 e q2 fixas e k é uma constante.
Logo, k.|q1|.|q2| é uma constante, considere k.|q1|.|q2| = p, temos então que
\(f = k { {|q_{1}|.|q_{2}|} \over {d^2} }\) = \(f = p { {1} \over {d^2} }\)
\(f = p { {1} \over {d^2} }\) nos permite verificar facilmente que ao dobrar a distância a força diminui 4x, se a distância for triplicada a força diminui 9x e assim por diante.
O gráfico ilustra a relação força x distância
Se mais de uma partícula estiver atuando sobre uma partícula C, a força resultante sobre C será a soma vetorial das forças que atuam sobre ela.
fCA: força elétrica de repulsão que C produz sobre A
fCB: força elétrica de repulsão que C produz sobre B
fBC: força elétrica de repulsão que B produz sobre C
fAC: força elétrica de repulsão que A produz sobre C
Obs. algumas forças elétricas foram omitidas.
Para calcularmos a força resultante sobre C vamos decompor fBC e fAC nas suas componentes verticais e horizontais
a força resultante na vertical será fBCY -fACY
e na horizontal
A força resultante na horizontal também pode ser calculada por \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ f_{x} = \sqrt{f_{AC}^2 +f_{BC}^2.2f_{AC}.f_{BC}.\cos({\alpha}) } }\)
α é o ângulo entre fBC e fAC
Atenção: a força entre duas cargas não é afetada pela presença de outras cargas, isto significa que, podemos analisar a força de interação entre duas cargas desconsiderando as demais. Este princípio é conhecido como princípio da superposição.
Campo elétrico
Campo de forças vetoriais gerado por uma carga elétrica fixa.
Um vetor que representa um campo elétrico é chamado de vetor campo elétrico ou linhas de campo e é representado por \(\vec{E}\)
Se a carga for positiva o campo será de repulsão, também chamado de centrífugo ou divergente
se ela for negativa o campo será de atração, também chamado de centrípeto ou convergente
O módulo de \(\vec{E}\) é dado por \(|\vec{E}| = { {|\vec{f}|} \over {|q|} } \) ou simplificadamente \(\vec{E} = { {\vec{f} } \over {q} } \)
f: força elétrica sofrida por uma carga q sob a ação do campo elétrico de uma outra carga Q.
Esta força é gerada pela interação de q com \(\vec{E}\).
O campo elétrico gerado por uma carga positiva repele o campo gerado por uma outra carga positiva.
Agora considere uma carga elétrica fixa Q
considere uma outra carga q a uma distância d de Q
o módulo da força elétrica que Q gera sobre uma outra carga q é
\(|\vec{f}| = k { {|Q|.|q|} \over {d^2} }\)
e o módulo do campo elétrico que Q produz no ponto onde q está é
\( |\vec{E}| = k { {|Q|} \over {d^2} }\)
Atenção: a força de um campo gerado por uma partícula, no ponto onde a partícula se encontra é nulo.
Se houver mais de uma carga, o campo elétrico resultante em um ponto p será dado pela soma vetorial dos campos elétricos produzidos por cada uma das partículas naquele ponto.
Podemos decompor EB e EA nas suas componentes verticais e horizontais
a força resultante na vertical será EBY -EAY
a força resultante na horizontal será EBX +EAX
O processo dever ser realizado para cada um dos campos que agem sobre p.
Agora considere uma carga de massa m que desloca-se paralelamente às linhas de força de um campo uniforme de intensidade E
sua aceleração será \(a = { {q.E} \over {m} }\), desconsiderando a gravidade.
Se ela parte do repouso da placa positiva a velocidade final ao atingir a placa negativa será \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ v = \sqrt{2d { {q.E} \over {m} } } }\)
Se ela for lançada perpendicularmente ao campo ela descreverá um trajeto semelhante à imagem
e sua aceleração também será \(a = { {q.E} \over {m} }\), desconsiderando a gravidade.
ou 
