Eletricidade. É difícil imaginar a vida sem ela. Do chuveiro ao computador, é necessário que aqueles invisíveis elétrons estejam correndo pelas fiações para que nossa vida diária possa manter os confortos e praticidades com os quais nos acostumamos.
Essa forma de energia obedece a algumas leis bem simples que lhes permitem aplicações versáteis, as quais vão do girar motores pesados a projetar na tela de seu computador o texto que você está lendo agora.
Antes de falar das leis e suas equações, vamos dar uma olhada em alguns conceitos. Sabemos que os elétrons têm carga negativa e os prótons têm carga positiva. Sabemos também que, quando próximos, corpos carregados com cargas opostas se atraem, enquanto os carregados com cargas iguais se repelem.
Carga elétrica
Tudo bem, mas o que é exatamente carga elétrica? Bem, para falar a verdade, ninguém sabe... Carga elétrica se inclui entre o que chamamos em ciência de conceitos primitivos, entidades que podemos observar e cujas propriedades e comportamento podemos mensurar, mas não temos como defini-las exatamente. Uma das propriedades que podemos observar e mensurar nas cargas elétricas é a formação de campos elétricos.
Campos elétricos
Campos elétricos se comportam de modo análogo aos campos gravitacionais e magnéticos, uma vez que campos elétricos (assim como os outros campos citados) interagem entre si quando colocados próximos uns dos outros, produzindo forças.
Estas forças são as que produzem a atração entre um corpo carregado com carga positiva e outro com carga negativa, da mesma forma que a repulsão, se ambos forem negativos ou positivos.
Uma forma esquemática de compreender os campos elétricos é representá-las através de linhas de força. A figura abaixo mostra as linhas de força que formam os campos elétricos em torno de uma carga positiva e outra negativa:
Linhas de força de cargas positivas e negativas
Também podemos usar as linhas de força para esquematizar as interações entre dois campos elétricos, conforme a figura que segue:
Interações entre campos elétricos
Um tipo particular de campo elétrico, muito utilizado para simulações, experimentos ou em exercícios de física é o campo elétrico uniforme, esquematizado na figura a seguir:
Representação de um campo elétrico uniforme
Como mostra a figura, o que caracteriza o campo elétrico uniforme são suas linhas de força, que se comportam como paralelas igualmente espaçadas. Isso ocorre quando duas placas paralelas e uniformemente carregadas com cargas de sinais opostos são posicionadas a uma distância próxima uma da outra.
A lei de Coulomb
O campo elétrico uniforme apresenta esta igualdade em suas linhas de força, implicando que o campo se mantém igual entre as placas e, por consequência, uma carga elétrica posicionada entre elas estará sujeita a uma força cuja intensidade e sentido são constantes ao longo do campo. Vistos os conceitos, vamos à lei de Coulomb. Como quase sempre nestes casos, esta lei leva o nome de seu propositor, o cientista francês Charles Coulomb.
Coulomb descobriu que a força elétrica que atua sobre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional às suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância.
Se você se lembrou da definição de Newton para a força da gravidade acertou em cheio. Como dissemos, campos elétricos e gravitacionais são análogos.
Portanto, o enunciado da Lei de Coulomb pode ser escrito assim:
Onde:
F =
força (medida em Newtons [N]);
q = carga elétrica (medida em Coulombs [C])
r = distância (medida de metros [m])
k= constante eletrostática (medida em N.m2/C2)
A próxima figura representa como estas grandezas se relacionam:
Representação das grandezas da Lei de Coulomb
A constante eletrostática varia conforme o meio em que estão imersas as cargas. No vácuo, k = 9.109 N.m2/C2.
E foi assim que a era da eletricidade começou. Sabendo que existem cargas elétricas e como se comportam mecanicamente, aprendemos como controlar a movimentação dessas cargas e aproveitar a sua energia.
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No universo existem 4 forças fundamentais: a força gravitacional, a força eletromagnética, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. A força elétrica faz parte da segunda força fundamental citada, caracterizada por promover a atração e repulsão entre objetos.
Sempre quando se fala em força elétrica faz-se um comparativo com a força gravitacional, pois ambas são descritas de forma análoga: dois corpos interagindo devido a uma força, que diminui, quando os corpos são afastados, ou aumenta, quando os corpos são aproximados. Um exemplo disso, na força elétrica, é visto ao passar um pente de látex no cabelo e tentar aproximar de pedacinhos de papel. Haverá uma atração, mas se não aproximar o suficiente, não fará efeito. A semelhança é tanta entre forças elétricas e gravitacionais que até as equações que governam estas duas forças são idênticas, veremos adiante.
Contudo, há duas diferenças entre as forças elétricas e gravitacionais:
- A primeira diferença é que a força elétrica pode tanto aproximar quanto repelir os dois corpos ou mais que interagem, enquanto que a força gravitacional apenas os atrairá.
- A segunda diferença é que a força elétrica é extremamente mais intensa que a força gravitacional.
Ainda bem que existem estas diferenças, pois se não houvesse um equilíbrio entre a atração e a repulsão da força elétrica ou o Universo seria comprimido pela fortíssima atração, se tornando uma esfera compactada, ou ele sofreria uma grande expansão, se transformando em uma nuvem gasosa, devido a repulsão. E tudo isso porque a força elétrica predomina sobre a gravitacional quando se trata de intensidade.
Este equilíbrio entre as forças de atração e a repulsão se dá devido ao fato de existir o mesmo número de partículas positivas e negativas num todo.
No estudo da física, a força elétrica está inserida no conteúdo de eletrostática, ramo da física que estuda as cargas elétricas em repouso (paradas), com relação a um referencial inercial.
A força elétrica faz com que cargas elétricas de mesmo sinal (ambas positivas ou ambas negativas) se repilam e de sinais contrários se atraiam (positiva e negativa). Como os tamanhos dessas cargas são extremamente inferiores em relação à distância entre elas, elas são consideradas corpos pontuais e chamadas de cargas puntiformes.
Depois de Joseph Priestley (1733-1804), responsável pela descoberta do elemento oxigênio, inferir teorias e repetir experiências de Benjamin Franklin (1706-1790), isso por volta de 1766, sobre a lei das forças, encontrando relações entre as forças elétrica e gravitacional, a equação da força elétrica foi definida diretamente em 1785, quando Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) utilizou a balança de torção para determiná-la. Posteriormente esta balança de torção foi utilizada para medir a constante gravitacional (G).
A equação da força elétrica ficou conhecida como Lei de Coulomb, e é dada por
onde
- F é a força elétrica de atração ou repulsão entre as cargas Q e q;
- d é a distância entre as cargas Q e q;
- k é a constante eletrostática.
Quando se calcula esta força no vácuo, a constante k se torna k0 e é dada pelo valor:
k0 = 8,98755 . 109 N . m²/C²
Desta forma, a força elétrica, matematicamente, é definida pelo produto das cargas elétricas dividido pelo quadrado da distância entre elas, assim como a força gravitacional, que é proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas,
Priestley havia previsto esta similaridade entre as equações.
Referências bibliográficas:
GONICK, Larri; HUFFMAN, Art. Introdução Ilustrada à Física – Tradução e adaptação de Luis Carlos de Menezes – Editora HARBRA, 1994.
HEWITT, Paul G., Física Conceitual – 9ª ed. – Bookman, 2008.
NUSSENZVEIG, Moysés, Curso de Física Básica: Eletromagnetismo – Vol. 3, 4 ed. – Edgard Blücher, 2002.
Texto originalmente publicado em //www.infoescola.com/fisica/forca-eletrica/