Eletrostática

A Eletrostática é a área da Física responsável por estudar as cargas elétricas desconsiderando seu movimento. Ela aborda propriedades e comportamentos das cargas, como força, campo e potencial elétricos, diferentemente da Eletrodinâmica, que estuda a dinâmica das cargas, ou seja, as cargas elétricas em movimento. É regida por dois princípios: o princípio da atração e repulsão das cargas elétricas e o princípio de conservação das cargas.

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Resumo sobre Eletrostática

• Eletrostática significa “elétron estacionário”. É uma área da Física que estuda as cargas elétricas desconsiderando seu movimento.

• As cargas elétricas podem ser positivas ou negativas, que se referem aos prótons e elétrons.

• Existem três tipos de eletrização: atrito, contato e indução eletrostática.

• A força elétrica é uma força de interação entre as cargas elétricas.

• Cargas com o mesmo sinal têm força elétrica repulsiva, já cargas com sinais opostos têm força elétrica atrativa.

• Potencial elétrico se trata do trabalho da força elétrica necessário para conseguirmos mover uma carga de um ponto a outro.

• O campo elétrico surge ao redor das cargas elétricas, tendo sua orientação dependente do sinal da carga elétrica.

• A energia potencial elétrica existe sempre que houver interação entre as cargas elétricas.

• Enquanto a Eletrostática é responsável pelo estudo das cargas elétricas em repouso, a Eletrodinâmica é responsável pelo estudo das cargas elétricas em movimento.

O que é Eletrostática?

A Eletrostática é uma área da física voltada para o estudo das cargas elétricas em repouso. A nomenclatura “eletrostática” vem do grego elektron, cujo significado é “elétron”, e statikos, que significa “estacionário”, portanto “elétron estacionário”. Assim, o nome se dá em razão do seu foco ser nas cargas elétricas estáticas, ou seja, cargas em repouso, com o estudo de seu comportamento, propriedades e fenômenos relacionados.

Propriedades da Eletrostática

→ Carga elétrica

Intrínseca à matéria, a carga elétrica é uma propriedade física que se origina das partículas subatômicas, prótons e elétrons. Elas podem ser positivas ou negativas, mas por convenção a carga positiva é o próton, e a carga negativa é o elétron.

A carga elétrica é quantizada, o que quer dizer que ela possui um valor mínimo de \(\pm\mathbf{1},\mathbf{6}\ \bullet{\mathbf{10}}^{-\mathbf{19}}\ {C} \) (positivo para prótons e negativo para elétrons), conhecido como carga elementar. É impossível encontrar corpos eletrizados com menos dessa quantidade. Sua unidade de medida, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o Coulomb, representado pela letra C.

→ Eletrização

Para que ocorra a transferência da carga elétrica de um corpo a outro, é preciso que ocorra algum processo de eletrização, que pode ser por contato, atrito ou indução.

• Eletrização por contato

A eletrização por contato ocorre quando colocamos um corpo eletricamente carregado em contato com outro corpo. Com isso, ambos os corpos passarão a ter o mesmo sinal e a mesma quantidade de carga elétrica, já que houve uma transferência de cargas, como podemos ver na imagem abaixo.

• Eletrização por atrito

A eletrização por atrito ocorre ao atritarmos dois corpos eletricamente neutros feitos de materiais diferentes. Durante esse processo, um corpo perderá elétrons, e o outro ganhará elétrons. Após o atrito, ambos estarão eletrizados, mas com sinais opostos, sendo que um corpo ficará eletrizado positivamente, e o outro, negativamente, podendo assim se atraírem, como podemos ver na imagem.

Atenção! Nem todos os materiais quando atritados são capazes de se eletrizar. Isso depende da sua afinidade elétrica, que varia de acordo com a série triboelétrica.

Se atritarmos no vidro um pedaço de isopor, como o vidro tem mais afinidade com a carga positiva, aquele dará elétrons para este. Após o processo, o vidro ficará carregado positivamente, já o isopor ficará carregado negativamente.

• Eletrização por indução

A eletrização por indução ocorre quando aproximamos um corpo eletricamente neutro (chamado de induzido) a um corpo eletricamente carregado (chamado de indutor), ocorrendo uma polarização das cargas elétricas, sendo que as cargas do corpo carregado atrairão as cargas de sinal contrário e repelirão as cargas com o mesmo sinal que pertencem ao corpo neutro.

Posteriormente, esse corpo neutro será transformado em um corpo carregado. Para isso, é preciso que seja feita uma conexão com um fio terra, por onde fluirão os elétrons em direção à Terra ou da Terra, podendo ocorrer a retirada ou adição de elétrons ao corpo. Após o processo, cortaremos o fio e retiraremos o indutor de perto do induzido, como demonstrado na imagem.

→ Força elétrica

A força elétrica é uma grandeza física vetorial, se tratando de uma força de interação entre as cargas elétricas que varia de acordo com a distância entre elas. Caso as cargas elétricas possuam o mesmo sinal, elas terão uma força repulsiva, mas se possuírem sinais diferentes, apresentarão uma força atrativa, conforme podemos ver na imagem.

Sua unidade de medida, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o Newton, representado pela letra N.

→ Potencial elétrico

O potencial elétrico é uma grandeza física escalar que mede o trabalho da força elétrica para deslocar uma carga de um ponto a outro. É mais comum encontrarmos o termo diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica, que nada mais é que a diferença entre dois potenciais elétricos. Sua unidade de medida, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o Volt, representado pela letra V.

→ Campo elétrico

O campo elétrico é uma grandeza física vetorial que mede a influência de uma carga elétrica sobre os seus arredores. Ao redor de um corpo eletricamente carregado surgirá um campo elétrico.

Se a carga que gerou esse campo for de sinal negativo, seu campo elétrico aponta para o interior da carga, mas se a carga for de sinal positivo, seu campo elétrico aponta para fora da carga, como podemos ver na imagem.

Sua unidade de medida, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o Newton por Coulomb, representado por (N/C).

→ Energia potencial elétrica

A energia potencial elétrica é uma grandeza física escalar relacionada à interação entre cargas, sendo assim uma forma de energia relacionada à posição relativa entre pares de cargas elétricas. Caso uma dessas cargas esteja se movimentando, a energia potencial elétrica é transformada em energia cinética. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, a energia potencial elétrica é medida em Joule, representado pela letra J.

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Princípios da Eletrostática

Existem dois princípios da Eletrostática: o princípio da atração e repulsão e o princípio da conservação das cargas elétricas.

→ Princípio da atração e repulsão

De acordo com esse princípio, as cargas elétricas que possuem o mesmo sinal se repelem, enquanto as cargas elétricas de sinais diferentes se atraem.

→ Princípio da conservação das cargas elétricas

De acordo com esse princípio, se considerarmos um sistema isolado, ou seja, sem troca de cargas elétricas com o meio externo, o somatório das cargas antes do processo de eletrização é o mesmo que o somatório das cargas depois do processo de eletrização. Sendo assim, a carga elétrica é conservada, então não pode ser criada, muito menos destruída.

Fórmulas da Eletrostática

→ Carga elétrica

\(Q=n\cdot e\)

• Q → carga elétrica total de um corpo, medida em Coulomb [C].

• n → quantidade de elétrons ou prótons em falta ou em excesso, medida em Coulomb [C].

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

→ Cargas elétricas em contato

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

• \(Q_{nova}\) → carga nova de cada condutor, medida em Coulomb [C].

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

→ Força elétrica ou lei de Coulomb

\(h\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\cdot\left|Q_2\right|}{d^2}\)

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

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

• d → distância entre as cargas, medida em metros [m].

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

→ Potencial elétrico

\(V_A=\frac{W_{AB}}{q}\)

• \(V_A\) → potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].

• \(W_{AB}\) → trabalho da força elétrica para deslocar uma carga do ponto A ao ponto B, medido em Joule [J].

• q → carga elétrica, medida em Coulomb [C].

→ Diferença de potencial elétrico (ddp)

\(HU=V_B-V_A\)

• U → diferença de potencial elétrico (ddp), medida em Volts [V].

• \(V_A\)→ potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].

• \(V_B\) → potencial elétrico no ponto B, medido em Volts [V].

→ Campo elétrico relacionado com a força elétrica

\(\vec{F}=\left|q\right|\cdot\vec{E}\)

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

• q → carga elétrica, medida em Coulomb [C].

• \(\vec{E}\) → campo elétrico, medido em [N/C].

→ Campo elétrico

\(H\vec{E}=k\frac{\left|Q\right|}{d^2}\)

• \(\vec{E}\) → campo elétrico, medido em Newton [N].

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

• d → distância entre as cargas, medida em metros [m].

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

→ Energia potencial elétrica

\(HE_P=k\frac{\left|Q\right|\cdot\left|q\right|}{d}\)

• \(E_P\) → energia potencial elétrica, medida em Joule [J].

• \(\left|Q\right|\) → módulo da carga elétrica fonte, medida em Coulomb [C].

• \(\left|q\right|\) → módulo da carga elétrica de prova, medida em Coulomb [C].

• d → distância entre as cargas, medida em metros [m].

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

→ Energia potencial elétrica relacionada ao potencial elétrico

\(E_P=q\cdot V\)

• \(E_P\) → energia potencial elétrica, medida em Joule [J].

• q → carga elétrica geradora, medida em coulomb [C].

• V → potencial elétrico, medido em Volts [V].

Eletrostática x Eletrodinâmica

A Eletrostática e Eletrodinâmica são duas áreas da Física que estudamos em Eletricidade e Magnetismo (muitas vezes chamado de Eletromagnetismo).

A Eletrostática é área responsável por estudar as cargas elétricas em repouso, sem movimento. Já a Eletrodinâmica é a área que estuda as cargas elétricas em movimento, daí o nome “dinâmica”. Mas há uma terceira área, o Eletromagnetismo, que estuda, de maneira unida, os fenômenos associados à eletricidade e ao magnetismo.

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Exercícios resolvidos sobre Eletrostática

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 corpo 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

Como a carga elementar vale \(\pm1,6\cdot{10}^{-19}\ C\), então a carga dos prótons é:

\(Q_P=4\cdot{10}^{18}\cdot1,6\cdot{10}^{-19}\)

\(Q_P=0,64\ C\)

E a carga dos elétrons:

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

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

Logo:

\(Q=Q_P+Q_E\)

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

\(Q=0,32\ C\)

Questão 2

(Mackenzie-SP) Uma carga elétrica puntiforme com \(q=4,0\ \mu C\), colocada em um ponto P do vácuo, fica sujeita a uma força elétrica de intensidade 1,2 N. O campo elétrico nesse ponto P tem intensidade:

A) \(3,0\cdot{10}^5\ N/C\)

B) \(2,4\cdot{10}^5\ N/C\)

C) \(1,2\cdot{10}^5\ N/C\)

D) \(4,0\cdot{10}^{-6}\ N/C\)

E) \(4,8\cdot{10}^{-6}\ N/C\)

Resolução:

Alternativa A

De acordo com as informações dadas pelo enunciado, temos a força e precisamos encontrar o campo elétrico. Para isso, utilizaremos a fórmula que relaciona o campo elétrico com a força elétrica:

\(\vec{F}=\left|q\right|\cdot\vec{E}\)

\(1,2=\left|4,0\ \mu\right|\cdot\vec{E}\)

\(\mu={10}^{-6}\), então substituindo:

\(1,2=4,0\cdot{10}^{-6}\cdot\vec{E}\)

\(\frac{1,2}{4,0\cdot{10}^{-6}}=\vec{E}\)

\(0,3\cdot{10}^6=\vec{E}\)

\(3\cdot{10}^{-1}\cdot{10}^6=\vec{E}\)

\(3\cdot{10}^{-1+6}=\vec{E}\)

\(3\cdot{10}^5N/C=\vec{E}\)