Carga elétrica

Uma carga elétrica, cuja unidade de medida é Coulomb, pode ser representada pelos sinais positivo, para os prótons, e negativo, para os elétrons. Seu cálculo envolve apenas a quantidade de elétrons ou prótons, em falta ou em excesso no corpo, e o valor da carga elementar, \(\pm1,6\ \bullet{10}^{-19}\ C\).

Dizemos que ela é quantizada, ou seja, o módulo da carga de um corpo é um múltiplo inteiro da carga elementar. Como a carga é conservada, ela só pode ser transferida entre os corpos, então, para obtermos isso, fazemos uso de processos de eletrização.

Veja também: Eletricidade — a área da física relacionada às cargas elétricas e aos corpos eletricamente carregados

Resumo sobre cargas elétricas

• As cargas elétricas podem ser positivas, representadas como os prôtons, ou negativas, representadas pelos elétrons.

• A unidade de medida da carga elétrica é o Coulomb.

• A carga elétrica é uma propriedade conservada.

• A fórmula para a carga elétrica envolve o produto entre a quantidade de elétrons ou prótons, em falta ou em excesso, com o valor da carga elementar, \(\pm1,6\ \bullet{10}^{-19}\ C\).

• Existem três tipos de eletrização: contato (quando um corpo carregado eletricamente toca em outro corpo); atrito (quando dois corpos eletricamente neutros se atritram); e indução (quando um corpo neutro se aproxima de um corpo carregado e depois o segundo se conecta a um fio terra).

• A carga do prótons é \(1,6\ \bullet{10}^{-19}\ C\), a carga do elétrons é \(-1,6\ \bullet{10}^{-19}\ C\) e a carga do nêutron é nula.

Videoaula sobre carga elétrica

Quais são os tipos carga elétrica?

A carga elétrica é uma propriedade física intrínseca à matéria e pode ser positiva ou negativa, sendo o que as diferencia apenas o sinal algébrico. Por convenção, representamos a carga do elétron como sendo de sinal negativo e a carga do próton com sinal positivo[LT2] . Como são apenas representações, não há problema algum em invertê-las, contudo é necessário lembrar que possuem sinais diferentes e, devido a isso, serão atraídas uma pela outra.

Importante: Vale ressaltar que a carga elétrica é propriedade conservada, ou seja, existe sempre a mesma quantidade de carga, não podendo ser criada nem destruida, apenas transferida.

Unidade de medida da carga elétrica

A unidade de medida da carga elétrica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é o Coulomb, representado pela letra C e nomeado em homenagem ao físico Charles Augustin de Coulomb (1736-1806).

Como se calcula a carga elétrica?

Podemos calcular a carga elétrica utilizando a fórmula:

\(Q=n\bullet e\)

• Q: a carga elétrica total de um corpo, medida em Coulomb \( [C]\);

• n: a quantidade de elétrons ou prótons, em falta ou em excesso, medida em Coulomb \( [C]\);

• e: a carga elementar ou carga do elétron, cujo valor é \(\pm1,6\ \bullet{10}^{-19}\ C\), (positivo para prótons e negativo para elétrons).

Saiba mais: Corrente elétrica — fenômeno em que os portadores de carga elétrica são conduzidos pelo interior de algum material

Processos de eletrização  

Como mencionado, a carga elétrica só pode ser transferida de um corpo a outro, sendo assim, ele pode ganhar ou perder elétrons. Quando isso acontece, dizemos que ele está eletrizado, e isso é possível por meio dos processos de eletrização. Veremos cada um deles a seguir.

→ Eletrização por contato

Acontece quando temos, pelo menos, um material condutor eletricamente carregado que será colocado em contato com outro corpo. Quando o outro corpo está neutro (mesma quantidade de prótons e elétrons), após colocado em contato, separa-se ambos e percebe-se que o corpo neutro passa a ter a mesma carga elétrica que o corpo carregado devido ao contato, porque terá havido uma troca de elétrons.

Por exemplo, se o corpo carregado fosse eletrizado negativamente (excesso de elétrons), ele transferiria parte dos seus elétrons, deixando o corpo neutro também eletricamente negativo; mas se o corpo carregado fosse eletrizado positivamente (falta de elétrons), ele puxaria elétrons do corpo neutro, deixando-os eletricamente positivo, como podemos ver na imagem.

Além disso, o outro corpo em questão também pode estar eletricamente carregado. Após o contato e a separação, vê-se que ambos ficarão com cargas elétricas iguais, e seu valor pode ser encontrado por uma média aritmética entre as cargas, ou seja:  

\(Q_{nova}\frac{Q_1+Q_2}{2}\)

• \(Q_{nova}\): a carga nova de cada condutor, medida em Coulomb \([C]\);

• \(Q_1\) e \(Q_2\): as cargas iniciais de cada condutor, medidas em Coulomb \([C]\).

→ Eletrização por atrito

A eletrização por atrito acontece quando ocorre atrito entre dois corpos eletricamente neutros. Durante esse processo, um desses corpos perderá elétrons, enquanto o outro os ganhará. Após a separação, eles terão cargas elétricas de sinais opostos.

Importante: Não são todos os materiais que, quando atritados, conseguem se eletrizar. Isso dependerá da sua afinidade elétrica, descrita na série triboelétrica.

Por exemplo, se se atrita no couro um pedaço de madeira, como o couro tem mais afinidade com a carga positiva, ele doará elétrons para a madeira. Após o processo, o couro ficará com a mesma carga que a madeira, porém carregado positivamente, enquanto a madeira ficará carregada negativamente.

→ Eletrização por indução

Já a eletrização por indução acontece quando ocorre a aproximação de um corpo neutro de um corpo carregado, gerando uma polarização das cargas em que as cargas do corpo carregado atrairão as cargas de sinal oposto e repelirão as cargas de mesmo sinal que estão no corpo neutro. Chama-se o corpo neutro de induzido e o corpo carregado de indutor.

A fim de transformar esse corpo neutro em carregado, ele é ligado por um fio terra, em que passarão elétrons em direção à terra ou da terra, retirando ou adicionando elétrons ao corpo. Posteriormente corta-se o fio e afasta-se o indutor do induzido. Como podemos ver na imagem abaixo.

Carga elétrica dos átomos

A carga elétrica é quantizada, isso quer dizer que o módulo da carga de um corpo é múltiplo inteiro da carga elementar. A carga fundamental ou elementar é a dos elétrons e dos prótons, já que são os menores valores de cargas individuais (os quarks possuem valores de cargas menores, mas são encontrados em forma de combinações) que conseguimos encontrar na natureza, cujo valor é ±1,6 ∙10-19 C . Esse valor é positivo quando para os prótons e negativo para os elétrons, e os nêutrons são eletricamente neutros para que haja estabilidade no núcleo atômico.

Campo elétrico

O campo elétrico ocorre nas proximidades de uma carga elétrica ou superfície eletrizada, já que se trata de uma propriedade intrínseca às cargas. É possível calcular o campo elétrico por meio da fórmula:

\(\vec{E}=k\frac{Q}{d^2}\)

• \(\vec{E}\): o campo elétrico, medido em Newton [N];

• \(\left|Q\right|\): o módulo da carga da partícula geradora do campo, medido em Coulomb \([C]\);

• d : a distância entre as cargas, medida em metros \([m]\).

• k : a constante eletrostática do meio, medida em \({\left(N\bullet m\right)^2/C}^2\).

Leia também: Campo magnético — a região do espaço capaz de exercer forças sobre cargas elétricas em movimento

Lei de Coulomb

A Lei de Coulomb determina que a intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto dos módulos entre as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa as cargas, podendo ser expressa na fórmula abaixo:

\(\vec{F}=k\frac{Q_1\bullet Q_2}{d^2}\)

• \(\vec{F}\): a força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton [N];

• \(\left|Q_1\right| \) e \(\left|Q_2\right| \): os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb \([C]\);

• d: a distância entre as cargas, medida em metros [m];

• k: a constante eletrostática do meio, medida em \({\left(N\bullet m\right)^2/C}^2\).

Exercícios resolvidos sobre carga elétrica

Questão 1

(Uece)  Um corpo tem 2.10¹⁸ elétrons e 4.10¹⁸ prótons. Dado que a carga elétrica de um elétron (ou de um próton) vale, em módulo, 1,6.10^-19 C, podemos afirmar que o coro está carregado com uma carga elétrica de:

A) -0,32 C

B) 0,32 C

C) 0,64 C

D) -0,64 C

Resolução:

Alternativa B

Lembrando que a carga elementar é equivalente a  \(\pm1,6\bullet{10}^{-19}\ C\), então a carga dos prótons é:

\(Q_P=4\bullet{10}^{18}\bullet1,6\bullet{10}^{-19}\)

\(Q_P=0,64\ C\)

E a carga dos elétrons:

\(Q_E=2\bullet{10}^{18}\ast(-1,6\bullet{10}^{-19}\ C)\)

\(Q_E=-0,32\ C\)

Logo:

\(Q=Q_P+Q_E\)

\(Q=0,64-0,32\)

\(Q=0,32\ C\)

Questão 2

(Uece) A série triboelétrica a seguir é uma lista de substâncias, de modo que cada uma se eletriza com carga positiva quando atritada com qualquer outra substância que a segue na lista: Um gato escorrega para baixo em uma vara de plástico e cai dentro de uma cuba metálica, x, que repousa sobre uma placa isolante. Duas outras cubas idênticas, y e z, apoiadas na placa, estão em contato com entre si, mas nenhuma faz contato com x. Quando o gato cai em x, a placa se quebra e todas as cubas caem, separadas, sobre o soalho isolado. O gato abandona a cuba x e foge.

Ao final desse processo:

A) x adquire carga positiva, y negativa e z positiva.

B) x adquire carga negativa, y positiva e z negativa.

C) somente x adquire carga positiva.

D) x, y e z têm cargas positivas.

Resolução:

Alternativa A

Quando o gato descer pelo plástico, ele perderá elétrons para o plástico, ficando eletricamente positivo. Depois do contato com metal x que estava eletricamente neutro, ele “pegará” elétrons, por estar eletrizado. Deixando x eletricamente positivo, x induzirá y a ficar negativo, que, pelo contato, fará com que z fique eletricamente positivo.