Aula 13 - Carga elétrica e Lei de Coulomb

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Prof. Murillo Preto Cardoso Junior
murillocardoso@usf.edu.br 
Aula 13
Cargas Elétricas e Lei de Coulomb
Prof. Murillo Preto Cardoso Junior
murillocardoso@usf.edu.br 
Introdução à Eletrostática 
Eletrostática é a área da Física que abrange o estudo das cargas elétricas em repouso. Os fenômenos eletrostáticos estudados por essa área do conhecimento surgem em decorrência da força de atração e repulsão que as cargas elétricas exercem umas sobre as outras.
Neste contexto, iremos abordar algumas das principais propriedade da Eletrostática, como carga elétrica, eletrização, força elétrica (Lei de Coulomb), campo e potencial elétrico. 
Carga elétrica 
A carga elétrica está presente em todos os objetos, sendo uma propriedade intrínseca das partículas que constituem a matéria.
Objetos em geral contêm quantidades iguais de dois tipos de carga: positiva e negativa. Tais objetos são eletricamente neutros.
Contudo, se por exemplo atritarmos um pente num tecido qualquer, há transferência de carga de um para o outro e o pente fica carregado com um dos tipos de carga em excesso. Ele então passa a atrair pequenos objetos.
Carga elétrica é uma propriedade da matéria, assim como a massa. A carga elétrica de um corpo surge em razão da diferença entre o número de prótons e elétrons, nesse caso dizemos que o corpo encontra-se carregado ou eletrizado.
Por outro lado, quando a quantidade de elétrons e prótons for a mesma, dizemos que o corpo está neutro. Portanto, mesmo quando neutros, os corpos ainda apresentam cargas elétricas, entretanto, essas estão balanceadas.
Neutro - balanceado
Número de elétrons = Número de prótons 
Eletrizado Negativamente
Número de elétrons > Número de prótons 
Eletrizado Positivamente
Número de elétrons < Número de prótons 
Unidade de Carga Elétrica
A unidade de medida de carga elétrica é o Coulomb (C), como uma forma de homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), responsável pela determinação da lei matemática que descreve a força de atração e repulsão entre cargas. Entretanto, a grandeza Coulomb não está listada como uma das grandezas fundamentais do sistema internacional de unidades.
De fato, ela se trata de uma grandeza derivada do Ampére e é utilizada para medidas de corrente elétrica. O Coulomb de carga elétrica é equivalente à quantidade de carga que é transportada por uma corrente elétrica de 1 ampere, durante o intervalo de tempo de 1 segundo. Portanto, dizemos que 1,0 C é equivalente a 1,0 A.
Princípio da quantização de carga
“Esse princípio afirma que toda a carga é múltiplo inteiro de uma carga elementar , que é, em módulo, igual à carga do elétron. Não existe um valor de carga menor que e nem um múltiplo não inteiro desse valor. O valor de vale C.” 
Desta forma, temos que:
Onde:
 é a carga elétrica do corpo;
é o número de elétrons em falta ou excesso, e;
 é a carga elementar, sendo .
A sinal de carga elétrica é arbitrário e convencionado da seguinte forma:
Se o corpo apresentar número de elétrons em falta, a carga será positiva, e;
Se o corpo apresentar número de elétrons em excesso, a carga será negativa.
Exemplos
Calcule a quantidade de carga elétrica de um corpo A, inicialmente neutro, nas seguintes situações:
A cede 5 elétrons para a vizinhança;
A recebe 8 elétrons da vizinhança;
Qual a quantidade de elétrons que deve ser fornecidas à uma partícula para que a mesma apresente carga igual a 2 C?
Princípio da Conservação de carga elétrica
“A carga total (que é a soma algébrica de todas as cargas, sejam elas positivas ou negativas) deve ser conservada. Assim, em um processo de eletrificação de corpos as cargas são transferidas de um corpo ao outro, ao invés de serem criadas ou destruídas.”
Processos de Eletrização
Atrito (Triboeletrização): E o mais antigo, mais comum, mais conhecido e só ocorre entre corpos de materiais diferentes. Neste processo ocorre a transferência de elétrons de um corpo para o outro ficando ambos os corpos carregados com cargas de mesma intensidade porém de sinais contrários. 
Série Triboelétrica dos Materiais
Processos de Eletrização
Contato: É muito comum em materiais condutores, pois neles ocorre grande mobilidade dos elétrons, e é mais difícil de ocorrer em materiais isolantes.
Os corpos ficam com carga de mesmo sinal. A quantidade de carga em cada corpo depende do tipo de material e do tamanho. Somente para dois corpos idênticos, a carga será a mesma!!!
Condutores e Isolantes
Condutores: Permitem a fácil migração de carga elétrica de um região para a outra.
Isolantes: Impedem ou dificultam o movimento de cargas elétricas.
Processos de Eletrização
Indução: Neste processo um corpo eletricamente carregado (indutor) atuará sobre um corpo eletricamente neutro. Após o processo os corpos ficaram carregados com cargas de sinais opostos. 
Lei de Coulomb
Corpos eletrizados (ou carregados) se atraem ou se repelem, dependendo de sua carga. No entanto, não sabemos como está força elétrica se comporta dependendo das cargas envolvidas e a distância entre elas.
Similarmente ao que fazemos na cinemática, podemos considerar corpos puntiformes, neste caso, cargas puntiformes para descrever esta interação.
Segundo o Físico Francês Charles Augustin de Coulomb a força entre duas cargas pontuais pode ser definida por:
“O módulo da Força elétrica entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.”
Lei de Coulomb
, é a força elétrica em Newtons [N];
, é a constante eletrostática e ;
 e são as cargas puntiformes, em Coulomb [C], e;
 é a distância linear entre as cargas puntiformes, em metros [m].
"Cargas com sinais iguais se repelem e cargas com sinais oposto se atraem."
Constante eletrostática em alguns meios
Exemplos
Duas partículas eletricamente carregadas com cada uma são colocadas no vácuo a uma distância de 30cm, onde K = 9 . 109 N.m²/C². A força de interação entre essas cargas é: 
Duas partículas de cargas de mesmo sinal, cujos valores são = 5,0 μC e = 7,0 μC, estão separadas no vácuo por uma distância d = 4,0 m. Qual o módulo das forças de interação elétrica entre essas partículas?
Duas esferas A e B inicialmente neutras são atritadas entre si. Devido ao atrito elétrons passam da esfera A para a esfera B. Separando-as em seguida a uma distância de 8,0 cm a força de interação entre elas em Newtons será de: (considere: carga elementar = C; constante eletrostática = N.m²/C)
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