Resumo - Carga Elétrica

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UDF - Centro Universita´rio
F´ısica 2
Prof. Gabriela Possa
Carga Ele´trica
Assim como a massa, a carga ele´trica e´ uma caracter´ıstica intr´ınseca da mate´ria. Quando
um objeto possui os dois tipos de cargas (positivas e negativas) em equil´ıbrio dizemos que
este e´ eletricamente neutro. Se houver um desequil´ıbrio entre os tipos de cargas dizemos
que o objeto esta´ carregado. E´ importante ter em mente que, em geral, o desequil´ıbrio
de cargas e´ muito pequeno se comparado a` quantidade total de cargas de um corpo.
Objetos carregados interagem entre si por meio de forc¸as eletrosta´ticas. Cargas com o
mesmo sinal se repelem, e cargas com sinais ele´tricos contra´rios de atraem.
Condutores e Isolantes
Em alguns materiais os ele´trons (part´ıculas portadoras de carga negativa) podem se mo-
ver com uma certa liberdade. Esses materiais sa˜o chamados de condutores. Quando tal
mobilidade na˜o existe, o material e´ dito na˜o-condutor ou isolante.
Para se compreender a raza˜o de alguns materiais serem bons condutores ele´tricos e
outros na˜o, e´ necessa´ria uma ana´lise microsco´pica. A mate´ria e´ formada por mole´culas,
e estas sa˜o constitu´ıdas de a´tomos. Cada a´tomo possui um nu´cleo eletricamente positivo,
formado por pro´tons (part´ıculas positivas) e neˆutrons (part´ıculas neutras). Ao redor do
nu´cleo situam-se os ele´trons (part´ıculas com carga negativa) que, por possu´ırem carga
contra´ria a` dos pro´tons, sa˜o atra´ıdos pelo nu´cleo. Quando os a´tomos de um material
condutor se unem para formar um so´lido, alguns de seus ele´trons (chamados de ele´trons
de conduc¸a˜o) passam a ficar livres para se locomoverem no interior do so´lido. Da´ı vem
a mobilidade eletroˆnica que diferencia os materiais condutores dos isolantes.
A Lei de Coulomb
Como foi dito anteriormente, duas part´ıculas carregadas interagem entre si por meio de
uma forc¸a eletrosta´tica que pode ser tanto de atrac¸a˜o como de repulsa˜o, dependendo dos
sinais das cargas envolvidas. A intensidade desta forc¸a e´ dada pela lei de Coulomb:
F = k
|q1||q2|
r2
1
Onde |q1| e |q2| representam o mo´dulo das cargas das part´ıculas, r e´ a distaˆncia entre
elas e k e´ uma constante, chamada de constante eletrosta´tica e possui o valor k =
8, 99⇥ 109 Nm2/C2. Esta constante pode ser escrita em termos de outras constantes de
forma que a lei de Coulomb muitas vezes e´ escrita como:
F =
1
4⇡✏0
|q1||q2|
r2
Aqui, ✏0 e´ a constante de permissividade e vale ✏0 = 8, 85 ⇥ 10�12 C2/Nm2. Por mais
que esta segunda maneira de expressar a lei de Coulomb possa, a priori, parecer mais
complicada, ela simplifica muitas expresso˜es que sera˜o estudadas futuramente ao longo
deste curso.
Podemos aplicar a lei de Coulomb sempre que desejarmos encontrar a forc¸a eletrosta´tica
devido a` interac¸a˜o de duas part´ıculas carregadas. Se tivermos um sistema com n cargas
devemos enta˜o aplicar o princ´ıpio da superposic¸a˜o, pois a forc¸a que atua sobre qualquer
uma das part´ıculas e´ dada pela soma vetorial das forc¸as geradas por cada uma das demais
part´ıculas individualmente:
~Fi,res =
nX
j=1
~Fij
onde ~Fi,res representa a forc¸a total que age sobre a part´ıcula i e ~Fij e´ a forc¸a que a
part´ıcula j exerce sobre a part´ıcula i.
A Carga e´ Quantizada
Antigamente se acreditava que a carga ele´trica era uma grandeza cont´ınua, capaz de
assumir qualquer valor. Hoje em dia sabemos que um corpo carregado possui um dese-
quil´ıbrio entre suas cargas positivas e negativas, e que tal desequil´ıbrio da´ ao corpo uma
carga igual a:
q = ne, n = ±1,±2,±3, ...
onde e e´ a carga elementar, representa a intensidade da carga de um u´nico pro´ton ou
ele´tron e possui o valor
e = 1, 6⇥ 10�19 C.
Assim, a carga de um corpo pode assumir valor discretos e, por isso, dizemos que a carga
ele´trica e´ uma grandeza quantizada.
A Carga se Conserva
Assim como acontece com diversas grandezas ja´ estudadas anteriormente (como massa,
energia e momento) a carga total de um sistema deve ser conservada em qualquer pro-
blema f´ısico. Desta forma, em processos de eletrificac¸a˜o (nos quais corpos neutros passam
a ser carregados) acontece uma transfereˆncia de cargas ele´tricas entre corpos, e na˜o uma
criac¸a˜o ou destruic¸a˜o de cargas.
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