Força elétrica

Força elétrica é força que uma carga elétrica exerce sobre outra. Ela é repulsiva para cargas de mesmo sinal e atrativa para cargas de sinais opostos. Além disso, é uma grandeza vetorial, proporcional ao módulo das cargas e inversamente proporcional à distância que as separa, sendo matematicamente descrita pela lei de Coulomb.

Essa força faz os átomos se repelirem ou se atraírem, dando origem, assim, aos diferentes tipos de ligações químicas, por exemplo. A compreensão sobre a forma como a força elétrica funciona é fundamental para entendermos diversos fenômenos naturais, bem como o grande número de tecnologias que dispomos hoje em dia e que funcionam com base na eletricidade.

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O que é força elétrica?

Força elétrica é a interação exercida entre cargas elétricas. Cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se quando aproximadas, e cargas elétricas de sinais diferentes são atraídas. A força elétrica que uma carga exerce sobre outra carga é proporcional ao produto do módulo de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

A força elétrica é também uma grandeza vetorial, pois apresenta módulo, direção e sentido. A unidade de medida da força elétrica é o newton. Além disso, é importante lembrar que, independentemente do módulo das cargas que interagem, a força elétrica exercida sobre ambas as cargas é igual, em decorrência da terceira lei de Newton, chamada Lei da Ação e Reação.

A lei usada para quantificar a intensidade da força elétrica que uma carga produz sobre outras cargas é a lei de Coulomb, que foi nomeada como forma de homenagem a seu descobridor, o físico francês Charles Augustin Coulomb.

Por meio de uma balança de torção, criada por ele mesmo, Charles Coulomb foi capaz de determinar a intensidade da força entre cargas de forma precisa. Com base em seus resultados experimentais, ele deduziu a lei matemática que explica a força de interação entre cargas elétricas.

“A força de atração entre cargas elétricas é proporcional ao produto de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.”

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Lei de Coulomb

A fórmula a seguir nos mostra a expressão usada para calcular a intensidade da força de atração ou repulsão entre duas partículas puntuais (partículas de dimensões desprezíveis) carregadas com cargas elétricas de módulo Q₁ e Q₂, separadas no vácuo, por uma distância d.

\(F=\frac{k_CQ_1Q_2}{d^2}\)

Q₁ e Q₂ – módulos das cargas elétricas (C)

d – distância entre as cargas (m)

k₀ – constante eletrostática do vácuo (k₀ = 9.10⁹ Nm²/C²)

Uma vez que o módulo da força elétrica que atua entre duas cargas é inversamente proporcional à distância que as separa, o gráfico que relaciona essa força com a separação entre as cargas terá um formato parecido com o gráfico a seguir:

Força elétrica e campo elétrico

A força elétrica e o campo elétrico são grandezas intimamente relacionadas. Toda carga elétrica produz um campo ao seu redor, chamado campo elétrico. Quando uma partícula eletricamente carregada com carga positiva é abandonada em uma região onde há campo elétrico, sobre ela surge uma força elétrica proporcional ao módulo de sua carga. Entretanto, quando uma carga elétrica de sinal negativo é abandonada nas mesmas condições, ela se move no sentido oposto ao sentido do campo elétrico.

O campo elétrico é, por definição, a força elétrica produzida por unidade de carga. A relação entre o campo elétrico e a força elétrica é a seguinte:

\(E=\frac{F}{q}\ \ F=qE\)

E – campo elétrico (N/C)

q – carga elétrica

Trabalho da força elétrica

Trabalho da força elétrica é a quantidade de energia que uma carga elétrica “ganha” ou “perde” ao se deslocar ao longo de uma região de campo elétrico não nulo. Para que algum trabalho seja exercido sobre a carga elétrica, é necessário que ela se desloque, mesmo que parcialmente, na  direção das linhas do campo elétrico. A fórmula utilizada para calcular o trabalho exercido pela força elétrica é mostrada na figura a seguir:

\(T=Fdcos\theta\)

τ – trabalho (J)

d – distância

θ – ângulo entre F e d

Agora que já aprendemos sobre o que é a força elétrica e como calculá-la, que tal aprender mais com exercícios resolvidos sobre o assunto?

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Exercícios resolvidos sobre força elétrica

Questão 1 — Duas cargas elétricas puntiformes e idênticas, de 1,0 mC cada, são espaçadas em 0,5 m, no vácuo. Determine o módulo da força elétrica entre essas duas cargas.

a) 6,4.10⁴ N

b) 3,6.10⁴ N

c) 7,2.10³ N

d) 1,2.10⁵ N

Resolução:

Vamos usar a lei de Coulomb para calcular o módulo da força entre as cargas.

\(F=\frac{k_CQ_1Q_2}{d^2} \ \rightarrow\ F=\frac{9\cdot 10^9\times1\cdot 10^{-3}\times1\cdot 10^{-3}}{0,5^2}\)

\(F=36\cdot 10^3 \rightarrow F=3,6\cdot 10^4\ N\)

Com base no resultado obtido acima, conclui-se que a alternativa correta é a letra B.

Questão 2 — Duas partículas de carga elétrica Q são separadas no vácuo por uma distância d. Dobrando-se essa distância, o módulo da força elétrica F que uma dessas cargas exerce sobre a outra passará a ser:

a) 2F

b) F/2

c) F/4

d) 4F

Resolução:

Para resolver o exercício, é necessário aplicar os dados do enunciado na lei de Coulomb.

\(|F_{el}|= kx\)

\(50=200\cdot x \rightarrow x = \frac{50}{200} \rightarrow x=0,25\ m\)

Com base no resultado obtido, a alternativa correta é a letra C.

Questão 3 — Uma carga elétrica de 0,5 nC é posicionada em uma região onde há um campo elétrico de 500 N/m. Determine a intensidade da força elétrica sobre essa carga e assinale a alternativa correta:

a) 2,5.10^-7 N

b) 0,5.10^-6 N

c) 1,5.10^-5 N

d) 4,5.10^-4 N

Resolução:

Para calcular a força elétrica que atua sobre a carga, é preciso usar a fórmula que relaciona a força elétrica com o campo elétrico. Fazendo isso, basta resolver o seguinte cálculo:

\(F=qE \rightarrow\ F=0,5\cdot10^{-9}\cdot 500=250\cdot 10^{-9}\ N\)

\(F=2,5\cdot 10^{-7}\ N\)

A alternativa correta, portanto, é a letra a.