Introdução
Existem duas teorias que norteiam todos os campos da engenharia elétrica: as teorias de circuitos elétricos e de eletromagnetismo. Em especial, a teoria dos circuitos elétricos é a base para as áreas de controle; eletrônica; comunicações; instrumentação; dentre outras. Para entender a teoria de circuitos é preciso começar pelo elemento mais básico, porém fundamental: a carga elétrica.
A carga elétrica é uma propriedade das partículas atômicas que formam a matéria.
O efeito da carga elétrica é percebido quando o ar está seco e sentimos fagulhas (algo parecido com um choque) ao esfregar os pés em um tapete, ao aproximar a mão de uma maçaneta ou mesmo de uma pessoa. Isso mostra que há cargas elétricas nos tapetes, nas maçanetas e no corpo humano. Nesse artigo vamos explicar o que é esse efeito, quais os tipos e como calcular a carga elétrica de um corpo.
Estrutura do átomo
Toda matéria é formada por elementos conhecidos como átomos que são compostos por elétrons (cargas negativas), prótons (cargas positivas) e nêutrons (não possuem carga elétrica). Normalmente, o número de cargas positivas e negativas é o mesmo, ou seja, a carga total é zero. Quando isso ocorre, dizemos que essas cargas estão equilibradas ou eletricamente neutras.
Porém, quando há quantidades diferentes dos dois tipos de cargas (positivas e negativas) dizemos que a matéria está eletricamente carregada. Podendo ser eletricamente carregada positivamente, quando há mais prótons do que elétrons ou negativamente, quando há mais elétrons do que prótons.
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Os objetos eletricamente carregados exercem uma força sobre outros objetos e é por isso que sentimos o efeito da carga elétrica quando o ar está seco. Isso acontece, pois a umidade do ar auxilia a retirar as cargas em excesso do nosso corpo, na falta dela acumulamos cargas, que por sua vez são liberadas ao tocar em outro objeto.
Como calcular a carga elétrica
A carga elétrica é quantizada, para saber seu valor é preciso multiplicar o número de elétrons, em falta ou em excesso, pela carga elétrica fundamental: “e”. Observações experimentais mostram que a menor carga elétrica encontrada na natureza tem módulo:
Os prótons e os elétrons possuem o mesmo valor de carga fundamental, mas por convenção o valor do elétron é negativo e o do próton é positivo. E é por essa razão que um corpo com a mesma quantidade de prótons e elétrons é considerado eletricamente neutro, pois o valor das suas cargas se anulam.
A unidade da carga elétrica fundamental é C (Coulomb), logo a carga elétrica total de um corpo terá a mesma unidade sendo dada pela seguinte fórmula:
Onde:
- Q – carga elétrica total de um corpo;
- n – número de elétrons em excesso ou falta;
- e – carga elementar (1,602.10-19 C).
É preciso ressaltar que para um corpo ter 1C de carga é necessária uma enorme quantidade elétrons, pois:
Então, geralmente, os valores reais ou de laboratório para cargas de um objeto se encontram na casa dos pC (10-12 C), nC (10-9 C) ou µC (10-6 C).
Eletrostática
Há um campo da ciência dedicado a estudar as cargas elétricas em repouso, chamado eletrostática. Essa área é importante para entender como corpos eletricamente carregados interagem entre si.
Assim, dois objetos eletricamente carregados exercem forças entre si. Caso as cargas das duas partículas tenham o mesmo sinal, elas se repelem, ou seja, se afastam. Mas se as partículas têm sinais opostos, elas se atraem, ou seja, a força tende a aproximá-las.
A força eletrostática é a força relacionada aos efeitos de atração e repulsão das cargas elétricas dos corpos. E a lei que possibilita calcular a força que os objetos carregados exercem é denominada lei de Coulomb.
O cálculo da força eletrostática entre dois corpos é feito considerando o efeito que uma exerce na outra. Então, dado dois corpos com cargas q1 e q2, a força em que está submetido o corpo 1 é dada por:
Onde:
- F – força eletrostática (N)
- k – constante eletrostática (8,99.109 N·m2/C2)
- ȓ – vetor unitário na direção da reta que liga os dois objetos
- r – distância entre as partículas (m)q1, q2 – cargas das partículas (C)
É preciso lembrar que, como todo vetor unitário ȓ tem módulo 1 e é adimensional, além disso, seu papel é indicar uma orientação no espaço. Logo, se as partículas possuem cargas de mesmo sinal a força em que a partícula 1 é submetida tem o mesmo sentido de ȓ e caso as partículas possuírem cargas de sinais opostos, a força tem sentido oposto ao de ȓ.
Na Figura 4 temos como exemplo duas partículas de mesmo sinal e observamos a força em que a partícula 1 está submetida. Note que o ȓ possui mesma direção que a força.
O segundo princípio da eletrostática afirma que em um sistema eletricamente isolado, ou seja, sem trocas de cargas do sistema com o exterior, a soma das cargas positivas e negativas é sempre constante. Isso implica que, as cargas nunca são criadas ou destruídas, o que ocorre é o contato entre dois objetos e a troca de cargas entre eles, tornando um carregado positivamente e o outro carregado negativamente.
Conclusão
Neste artigo foi apresentado o conceito de carga elétrica, os tipos e como calcular as cargas elétricas. Buscamos entender como cargas de mesmo sinal e sinais opostos interagem entre si e o que pode ocorrer em um corpo com cargas em excesso. Além disso, aprendemos a calcular a força que uma partícula exerce sobre a outra e se essa força é de atração ou repulsão.
Referências
ALEXANDER, Charles K.. Fundamentos de circuitos elétricos. Porto Alegre: Amgh, 2013. HALLIDAY. Fundamentos de Física: eletromagnetismo. 9. ed. Ltc, 2012.
Sthefania, gostei muito do artigo! É muito bom rever e aprender.
Obrigada, Arnaldo Laganaro Junior!