Tudo sobre Carga Elétrica: Conceitos e aplicações

Nesta aula, vamos explorar o conceito de carga elétrica, uma das propriedades fundamentais da matéria responsável pelas interações elétricas. Abordaremos seus diferentes tipos, o princípio da conservação da carga, as unidades de medida utilizadas e os métodos de cálculo aplicáveis em diversas situações práticas. 

O que é carga elétrica?

A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria associada a certas partículas subatômicas, como elétrons e prótons, que determina sua interação com campos elétricos e magnéticos. Essa propriedade é responsável por todas as forças elétricas observadas na natureza, desde pequenas interações entre átomos até fenômenos de grande escala, como descargas elétricas atmosféricas.

Ela pode ser de dois tipos: positiva e negativa, e corpos carregados interagem de acordo com a seguinte regra: cargas de mesmo sinal se repelem cargas de sinais opostos se atraem.

Na constituição da matéria, encontramos três partículas principais relacionadas à carga elétrica:

• Elétrons: possuem carga negativa.
• Prótons: possuem carga positiva.
• Nêutrons: são eletricamente neutros, ou seja, não possuem carga.

No contexto da física, seu conceito também está relacionado ao comportamento dos átomos, que podem estar em equilíbrio quando possuem o mesmo número de prótons (cargas positivas) e elétrons (cargas negativas). Esse estado, chamado de equilíbrio eletrostático, ocorre quando a carga total do sistema é nula, ou seja, o número de cargas positivas e negativas se iguala.

A menor quantidade possível de carga elétrica é chamada de carga elementar, representada pela letra e. Seu valor é:

• A carga de um próton é +e.
• A carga de um elétron é −e.
• Toda carga elétrica observada na natureza é um múltiplo inteiro da carga elementar, ou seja, é quantizada.

Tipos de carga elétrica

Propriedade fundamental da matéria, ela pode ser classificada em dois tipos principais:

• Carga elétrica positiva (+)
• Carga elétrica negativa (−)

Essa distinção é baseada no comportamento das partículas subatômicas que compõem a matéria. O próton, presente no núcleo dos átomos, possui carga positiva, enquanto o elétron, que orbita o núcleo, possui carga negativa.

As cargas elétricas interagem entre si de acordo com a seguinte regra:

• Cargas de sinais opostos se atraem. Exemplo: um próton (+) atrai um elétron (−).
• Cargas de mesmo sinal se repelem. Exemplo: dois elétrons (− e −) se repelem.

Essas interações são descritas matematicamente pela Lei de Coulomb, que determina a intensidade da força entre as cargas de acordo com sua magnitude e a distância entre elas.

Quando um corpo possui o mesmo número de prótons (cargas positivas) e elétrons (cargas negativas), dizemos que ele está neutro, ou seja, sua carga total é zero. No entanto, ao ganhar ou perder elétrons, o corpo torna-se carregado eletricamente, adquirindo carga positiva ou negativa.

Exemplo: Um átomo de sódio (Na) normalmente é neutro, pois contém o mesmo número de prótons e elétrons. Se ele perder um elétron, se tornará um íon positivo (Na+).

Princípio da conservação da carga elétrica

O princípio da conservação da carga elétrica (equilíbrio eletrostático) estabelece que a carga elétrica total de um sistema isolado permanece constante, ou seja, ela não pode ser criada nem destruída, apenas transferida de um corpo para outro. Esse princípio é um dos pilares fundamentais da eletrostática e se aplica em diversas situações práticas, desde interações microscópicas até fenômenos de grande escala.

Matematicamente, a conservação da carga pode ser expressa como:

Isso significa que, independentemente das interações internas no sistema, a soma algébrica das cargas elétricas antes e depois de qualquer processo permanece a mesma.

Exemplos do princípio da conservação da carga:

• Eletrização por atrito: Quando esfregamos um bastão de vidro com um pano de lã, o vidro perde elétrons (ficando carregado positivamente), enquanto a lã ganha elétrons (ficando carregada negativamente). A quantidade total de carga positiva e negativa do sistema continua a mesma, apenas redistribuída.

• Eletrização por contato: Se um corpo carregado positivamente toca um corpo neutro, parte da carga é transferida, mas a soma total da carga do sistema permanece constante.

• Eletrização por indução: Aproximando um objeto carregado de um condutor neutro, as cargas no condutor se redistribuem temporariamente, mas não há alteração na carga total do sistema.

Implicações do princípio da conservação da carga:

• Física subatômica: Em reações nucleares e processos de decaimento, o princípio da conservação da carga é rigorosamente obedecido, garantindo que a carga total antes e depois de um evento seja a mesma.
• Circuitos elétricos: Em circuitos fechados, a carga total permanece constante, sendo apenas distribuída pelos componentes elétricos.
• Fenômenos atmosféricos: Durante uma tempestade, as cargas elétricas são redistribuídas entre nuvens e solo, mas a carga total da atmosfera permanece a mesma.

Como calcular a carga elétrica?

Este cálculo é essencial para entender diversos fenômenos elétricos e aplicações práticas. Sua unidade no Sistema Internacional (SI) é o Coulomb (C), e pode ser determinada por meio de diferentes abordagens, dependendo do contexto.

Fórmula básica da carga elétrica

A relação fundamental entre carga elétrica, corrente elétrica e tempo é dada pela expressão:

Onde:

• Q = carga elétrica (Coulomb, C),
• I = corrente elétrica (Ampère, A),
• t = tempo de passagem da corrente (segundos, s).

Exemplo prático: Se uma corrente elétrica de 2A percorre um condutor por 10 segundos, a carga transferida será:

Cálculo com carga elementar

A carga elétrica também pode ser calculada com base na quantidade de partículas carregadas, utilizando a seguinte fórmula:

Onde:

• Q = carga total (Coulomb, C);
• n = número de partículas carregadas (prótons ou elétrons);
• e = carga elementar de um elétron ou próton:

Exemplo prático: Se um corpo contém 5×10¹⁸ elétrons em excesso, a carga elétrica total será:

Lei de Coulomb para cargas puntiformes

Para determinar a força elétrica entre duas cargas pontuais (carga puntiforme), a Lei de Coulomb é aplicada, e podemos reorganizar a equação para calcular a carga quando a força elétrica é conhecida:

Onde:

• F = força elétrica (Newton, N),
  k = constante eletrostática (9,0×10⁹ N.m²/C²),
  q1 e q2 = valores das cargas elétricas (Coulomb, C),
  r = distância entre as cargas (metros, m).

Se soubermos a força elétrica, podemos reorganizar a fórmula para encontrar uma das cargas:

​Exemplo prático: Se duas cargas idênticas separadas por 2m exercem uma força de 36N entre si, a carga de cada uma será:

Unidades de medida da carga elétrica

A unidade padrão da carga elétrica no Sistema Internacional (SI) é o Coulomb (C), definido como a quantidade de carga transportada por uma corrente elétrica de 1 ampère em 1 segundo, ou seja:

Carga elétrica: exercícios resolvidos

Exercício 1: Cálculo a partir da corrente e tempo

Um chuveiro elétrico opera com uma corrente de 15A. Determine a quantidade de carga elétrica que passa por ele em 5 minutos de funcionamento.

Resolução:

Sabemos que a carga elétrica é dada pela fórmula:

Convertendo o tempo para segundos:

Substituindo os valores:

A carga elétrica total que passa pelo chuveiro é de 4500C.

Exercício 2: Cálculo em termos de partículas elementares

Determine a carga total de um corpo que contém 2×10¹⁵ elétrons em excesso. Considere que a carga elementar do elétron é 1,602×10⁻¹⁹ C.

Resolução:

Usamos a fórmula:

Substituindo os valores:

A carga total do corpo é de 3,204×10⁻⁴ C ou 0,3204 mC (milicoulombs).

Exercício 3: Cálculo em uma esfera eletrizada

Uma esfera metálica isolada contém uma carga de 8μC. Sabendo que a carga elementar é 1,602×10⁻¹⁹ C, determine quantos elétrons a esfera possui em excesso ou em falta.

Resolução:

Primeiro, convertemos a carga da esfera para Coulombs:

Agora, calculamos o número de elétrons:

A esfera contém um excesso de 5×10¹³ elétrons.

Exercício 4: Cálculo da força elétrica entre duas cargas (Lei de Coulomb)

Duas cargas elétricas puntiformes, q1=2×10⁻⁶ C e q2 =4×10⁻⁶ C, estão separadas por uma distância de 0,5m. Determine a força elétrica entre elas no vácuo. Considere a constante eletrostática do vácuo k=9,0×10⁹ N⋅m²/C².

Resolução:

Aplicamos a Lei de Coulomb:

Substituindo os valores:

A força elétrica entre as cargas é de 0,288 N, e é uma força repulsiva, pois ambas as cargas possuem o mesmo sinal.