Carga elétrica – O que é? Princípio de atração e repulsão e Efeito Casimir

A carga elétrica é uma importante propriedade física da matéria, que determina as interações eletromagnéticas dos corpos eletrizados. Para entendermos algumas de suas características, é preciso dividir a matéria em pedaços cada vez menores até encontramos o átomo com um diâmetro de, aproximadamente, 10^-10m.

Partículas elementares

Ao longo da história da ciência, foram propostos vários modelos para o átomo, entretanto, podemos nos concentrar no modelo apresentado por Rutherford, em 1911, como mostra a figura ao lado. Ele nos explica a origem de toda a eletricidade.

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Todos os materiais que conhecemos são constituídos de átomos. Esses são formados por um núcleo no qual se encontram agrupados os prótons e os nêutrons. Girando em torno dele, em órbitas de circunferências ou elípticas, estão os elétrons. O átomo é eletricamente neutro por possuir prótons e elétrons em quantidades iguais. 

Estas são partículas subatômicas, cada uma com uma carga elétrica. O corpo com excesso de elétrons apresenta quantidade de carga elétrica negativa, ou seja, está negativamente eletrizado. Já aquele com falta de elétrons apresenta quantidade de carga elétrica positiva (pois nele passa a predominar a carga positiva dos prótons), ou seja, está eletrizado positivamente.

A unidade de carga é o coulomb, abreviado pela letra maiúscula C., em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb.

Unidade de carga elétrica

No SI, a unidade de quantidade de carga elétrica é o coulomb (C). Como 1 C é uma quantidade de carga elétrica muito grande, é comum a utilização dos seus submúltiplos:

Carga elétrica elementar

A carga elementar é o menor valor de carga elétrica que existe na natureza. Ela é a carga que pode ser encontrada nos prótons e elétrons. Esse valor, simbolizado por e, é denominado quantidade carga elementar, sendo igual a 1,6. 10^-19 C.

A carga elétrica de um elétron é igual, em módulo, à do próton. Os valores dessas cargas expressas em coulomb são:

O módulo dessas cargas costuma ser denominado carga elétrica elementar (e), valendo, portanto:

Como um corpo eletrizado está sempre com excesso ou falta de um certo número n de elétrons, o módulo de sua carga Q é múltiplo inteiro da carga elementar, ou seja:Observe que a carga elétrica não existe em quantidades contínuas, sendo sempre múltipla da carga elementar e. Dizemos que a carga elétrica é quantizada.

A carga de um coulomb (1C) é muito grande, portanto, é comum o emprego de submúltiplos:

A quantidade de carga elétrica total (Q) de um corpo será sempre um número inteiro (n) vezes o valor da carga elementar (e):

Sendo:

Objetos carregados eletricamente e objetos neutros

Quando o número de prótons em um átomo ou em uma molécula qualquer é igual ao número de elétrons, o átomo ou a molécula é eletricamente neutro.

Se o número de prótons for diferente do número de elétrons, teremos um íon (átomo ou molécula eletrizado).

Para que um corpo fique eletricamente carregado, é necessário que ele receba ou doe elétrons para as suas vizinhanças. Generalizando, dizemos que um corpo está eletrizado quando o número total de prótons (n_p) é diferente do número total de elétrons (n_e).

Quando:

Já para que esse corpo receba ou doe elétrons ele precisará sofrer algum dos três processos de eletrização: atrito, contato ou indução.

Porém, não é possível eletrizar um corpo arrancando-lhe ou fornecendo-lhe prótons, uma vez que essas partículas são cerca de 1840 vezes mais massivas que os elétrons e encontram-se fortemente ligadas a outros prótons, no núcleo atômico.

A maioria dos corpos que estão ao nosso redor estão eletricamente neutros. Isso ocorre porque, devido às forças de atração e repulsão entre cargas elétricas, é natural que todos os corpos busquem o estado de eletrização de menor energia possível.

Quando um corpo está eletricamente neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons em seus átomos, portanto, sua carga elétrica é nula. Se o corpo sofre um processo de eletrização, ele fica positivamente (cedeu elétrons) ou negativamente eletrizado.

Íons

Íons são átomos que perderam ou ganharam elétrons. Átomos carregados positivamente são chamados de cátions, enquanto os átomos que recebem elétrons, e tornam-se negativos, são chamados de ânions.

Carga elétrica de elementos

Podemos determinar a carga elétrica do núcleo atômico de um determinado elemento químico, como o hélio, hidrogênio, entre outros. Para isso, utilizamos o seu número atômico (Z), calculando-se: Q = Z. e.

Princípio de conservação da carga

Uma das leis de conservação da natureza é:

“Carga elétrica não se cria, não se perde, apenas se transfere”.

Num sistema eletricamente isolado, ou seja, onde não há trocas de cargas com o meio exterior, a soma algébrica das cargas elétricas é constante.

Isso quer dizer que sempre que algo for eletrizado, nenhum elétron será criado ou destruído. Os elétrons são simplesmente transferidos de um material para outro. E a carga se conserva.

Lei de Coulomb

Objetos carregados eletricamente interagem entre si exercendo forças, de atração ou repulsão, uns sobre os outros. A Lei de Coulomb estabelece a força eletrostática entre duas cargas eletricamente carregadas.

Ela é dada por:

Consideremos dois corpos eletrizados (com cargas Q1 e Q2) e separados por uma distância r.

Como os corpos estão eletrizados, há uma interação elétrica (força F) entre eles. A intensidade de F diminui à medida que aumentarmos a distância de separação r. A direção de F é a direção da reta que une os corpos.

Com relação ao sentido de F, temos:

Exemplos

Escreva a carga elétrica usando os submúltiplos.

(a) Q = 0,000002 C

Basta mover a virgula para a direita seis casas. Portanto, Q = 2 x10^-6 = 2μC.

(b) Q = 0,003×10^-6 C

Basta mover a virgula para a direita três casas. Portanto, Q = 3 x10^-9 = 2 nC.

(c) Q = 2000,0 x10^-9 C

Basta mover a virgula para a esquerda três casas. Portanto, Q = 2 x10^-6 = 2μC.

(d) Q = 0,000 000 0045 C

Basta mover a virgula para a esquerda nove casas. Portanto, Q = 4,5 x10^-9 = 2 nC.

Efeito Casimir

As descobertas relacionadas ao princípio de atração e repulsão de corpos carregados foi estabelecido a partir dos trabalhos de Coulomb, em 1783, sendo de fundamental importância para a consolidação dos estudos de Eletricidade.

Basicamente, a Lei de Coulomb estabelece uma maneira elegante para quantificar a intensidade de forção de atração ou de repulsão entre corpos carregados eletricamente. Um ponto importante nessa lei é que, se os corpos estiverem descarregados, ou seja, eletricamente neutros, não é esperado nenhuma interação entre eles. A intensidade da força será zero. Para isso, basta que um dos corpos esteja neutro.

Curiosamente, em 1848, o físico holandês Casimir apresentou a hipótese de que se duas placas metálicas paralelas descarregadas, eletricamente neutras, estão sujeitas a uma força de atração, tendendo aproximá-las.

Essa força apenas pode ser quantificada ou mesurada quando a distância entre as duas placas é muito pequena da ordem de micrometros. Esse efeito foi comprovado experimentalmente em 1997.

O fenômeno de atração entre placas paralelas descarregadas, ou efeito Casimir, não pode ser explicado pela Lei de Coulomb. Por outro lado, vem sendo compreendido por meio de conceitos construídos a partir da Mecânica Quântica, por exemplo, o vácuo quântico.

Exercício

1. Em uma experiência, um corpo neutro ficou positivamente eletrizado com carga de 2C. Quantos elétrons perdeu?

Resolução

Sabemos que:

2. Fornecendo 5.10¹³ elétrons a um corpo inicialmente neutro, qual o valor absoluto de sua carga elétrica em microcoulombs? (1 microcoulomb = 1μ = 10^-6C).

Resolução

Sabemos que: