Eletrostática
![Eletrostática Máquina eletrostática em funcionamento (dispositivo utilizado para gerar e coletar cargas elétricas).](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/eletrostatica.jpg)
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
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Eletrostática significa “elétron estacionário”. É uma área da Física que estuda as cargas elétricas desconsiderando seu movimento.
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As cargas elétricas podem ser positivas ou negativas, que se referem aos prótons e elétrons.
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Existem três tipos de eletrização: atrito, contato e indução eletrostática.
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A força elétrica é uma força de interação entre as cargas elétricas.
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Cargas com o mesmo sinal têm força elétrica repulsiva, já cargas com sinais opostos têm força elétrica atrativa.
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Potencial elétrico se trata do trabalho da força elétrica necessário para conseguirmos mover uma carga de um ponto a outro.
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O campo elétrico surge ao redor das cargas elétricas, tendo sua orientação dependente do sinal da carga elétrica.
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A energia potencial elétrica existe sempre que houver interação entre as cargas elétricas.
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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.
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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.
![Representação da eletrização por contato.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/representacao-eletrizacao-contato.jpg)
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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.
![Representação da eletrização por atrito.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/representacao-eletrizacao-atrito.jpg)
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.
![Série triboelétrica.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/09/1-serie-triboeletrica.jpg)
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.
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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.
![Representação da eletrização por indução.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/representacao-eletrizacao-inducao.jpg)
→ 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.
![Representação da atração e da repulsão entre cargas elétricas.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/atracao-repulsao-cargas-eletricas.jpg)
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.
![Representação das linhas de força do campo elétrico.](https://static.mundoeducacao.uol.com.br/mundoeducacao/2022/06/representacao-linhas-forca-campo-eletrico.jpg)
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.
Saiba também: Gaiola de Faraday — um experimento que mostra o efeito da blindagem eletrostática
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
\(Q=n\cdot e\)
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Q → carga elétrica total de um corpo, medida em Coulomb [C].
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n → quantidade de elétrons ou prótons em falta ou em excesso, medida em Coulomb [C].
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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
\(Q_{nova}=\frac{Q_1+Q_2}{2}\)
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\(Q_{nova}\) → carga nova de cada condutor, medida em Coulomb [C].
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\(Q_1\) e \(Q_2\) → cargas iniciais de cada condutor, medidas em Coulomb [C].
→ Força elétrica ou lei de Coulomb
\(h\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\cdot\left|Q_2\right|}{d^2}\)
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\(\vec{F} \) → força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton [N].
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\(\left|Q_1\right|\) e \(\left|Q_2\right|\) → módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb [C].
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d → distância entre as cargas, medida em metros [m].
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k → constante eletrostática do meio, medida em \({\left(N\cdot m\right)^2/C}^2\).
→ Potencial elétrico
\(V_A=\frac{W_{AB}}{q}\)
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\(V_A\) → potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].
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\(W_{AB}\) → trabalho da força elétrica para deslocar uma carga do ponto A ao ponto B, medido em Joule [J].
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q → carga elétrica, medida em Coulomb [C].
→ Diferença de potencial elétrico (ddp)
\(HU=V_B-V_A\)
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U → diferença de potencial elétrico (ddp), medida em Volts [V].
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\(V_A\)→ potencial elétrico no ponto A, medido em Volts [V].
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\(V_B\) → potencial elétrico no ponto B, medido em Volts [V].
→ Campo elétrico relacionado com a força elétrica
\(\vec{F}=\left|q\right|\cdot\vec{E}\)
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\(\vec{F} \) → força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton [N].
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q → carga elétrica, medida em Coulomb [C].
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\(\vec{E}\) → campo elétrico, medido em [N/C].
→ Campo elétrico
\(H\vec{E}=k\frac{\left|Q\right|}{d^2}\)
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\(\vec{E}\) → campo elétrico, medido em Newton [N].
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\(\left|Q\right|\) → módulo da carga da partícula geradora do campo, medido em Coulomb [C].
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d → distância entre as cargas, medida em metros [m].
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k → constante eletrostática do meio, medida em \({\left(N\cdot m\right)^2/C}^2\).
→ Energia potencial elétrica
\(HE_P=k\frac{\left|Q\right|\cdot\left|q\right|}{d}\)
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\(E_P\) → energia potencial elétrica, medida em Joule [J].
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\(\left|Q\right|\) → módulo da carga elétrica fonte, medida em Coulomb [C].
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\(\left|q\right|\) → módulo da carga elétrica de prova, medida em Coulomb [C].
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d → distância entre as cargas, medida em metros [m].
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k → constante eletrostática do meio, medida em \({\left(N\bullet m\right)^2/C}^2\).
→ Energia potencial elétrica relacionada ao potencial elétrico
\(E_P=q\cdot V\)
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\(E_P\) → energia potencial elétrica, medida em Joule [J].
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q → carga elétrica geradora, medida em coulomb [C].
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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.
Leia também: Cinco coisas que você precisa saber sobre eletricidade
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:
\(1,2=4,0\cdot{10}^{-6}\cdot\vec{E}\)
\(\frac{1,2}{4,0\cdot{10}^{-6}}=\vec{E}\)
\(0,3\cdot{10}^6=\vec{E}\)
\(3\cdot{10}^{-1}\cdot{10}^6=\vec{E}\)
\(3\cdot{10}^{-1+6}=\vec{E}\)
\(3\cdot{10}^5N/C=\vec{E}\)
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