Campo elétrico

Campo elétrico

Livro didático: capítulo 3

Assim como um planeta gera um campo gravitacional, um corpo eletrizado gera um campo elétrico ao seu redor.

Se um corpo de massa m for colocado nas proximidades da Terra, atuará sobre ele a força de atração gravitacional terrestre, puxando o corpo em direção ao centro do planeta. Essa força é o peso P do corpo.

Analogamente, se próximo a um corpo eletrizado com uma carga Q for colocado uma carga de prova q, sobre esta carga agirá uma força elétrica F tal que

Vetor campo elétrico

Ao campo elétrico associamos uma grandeza vetorial chamada vetor campo elétrico que possui módulo (intensidade), direção e sentido.

Direção e sentido

O campo elétrico das cargas positivas sempre aponta para fora das cargas, na direção radial. 

Já o campo elétrico das cargas negativas aponta para dentro delas.

Intensidade do campo elétrico

A intensidade do campo elétrico gerado por uma carga puntiforme é dada por:

Onde

E: intensidade do campo elétrico [N/C]

k: constante eletrostática. No vácuo, k = 9.10⁹ N.m²/C²

|Q|: módulo da carga [C]

d: distância entre a carga e um ponto do campo

Campo elétrico gerado por mais do que uma partícula eletrizada

Quando duas ou mais cargas estão próximas o suficiente para que os campos gerados por cada uma se interfiram, é possível determinar um campo elétrico resultante em um ponto desta região.

Linhas de força

Para facilitar a visualização do campo elétrico, desenhamos linhas cujas direções tangentes sempre indicam a direção e o sentido do campo elétrico. Essas linhas são denominadas linhas de força. Por convenção, uma carga positiva gera campo elétrico de afastamento e uma carga negativa gera um campo elétrico de aproximação.

 

A atração e a repulsão elétrica estão relacionadas com a resultante do campo elétrico em cada ponto do espaço. Entre cargas de sinal diferente, a resultante do campo elétrico aponta sempre em direção a outra carga. Com isso, surge a força de atração elétrica.

Entre cargas de sinal igual, a resultante do campo elétrico aponta na direção oposta à posição das cargas, promovendo uma força elétrica de repulsão entre elas.

Campo elétrico uniforme

Considere o caso de duas placas planas e paralelas, separadas por uma distancia pequena quando comparada às dimensões das placas. Se uma das placas for eletrizada com carga positiva e outra com carga negativa de mesmo módulo, as linhas de força do campo elétrico gerado pelas cargas das placas serão paralelas em quase toda a extensão da região entre elas.

O campo elétrico em qualquer ponto no espaço entre as placas possui a mesma intensidade, direção e sentido. Dizemos que é um campo elétrico uniforme.

Exercícios

Livro didático

·         Página 38
·         Página 42 e 43
·         Página 49 e 50

Vídeos

ELT15 - Campo Elétrico: Introdução

ELT16 - Campo Elétrico: Vetor E - Como desenhar o campo?

ELT17 - Campo Elétrico: Linhas de Campo

ELT18 - Campo Elétrico de uma Carga Pontual

ELT19 - Exemplo: Campo Elétrico Resultante

ELT20 - Campo Elétrico Uniforme

Força entre cargas elétricas: lei de Coulomb

Livro didático: Capítulo 2

Todo corpo eletrizado possui um uma carga elétrica que é um múltiplo da carga elétrica elementar. Por esse motivo, dizemos que a carga elétrica é quantizada.

Q = n.e

Entre dois corpos eletrizados, colocados a uma certa distancia um do outro, existe um par de forças ação-reação de atração (sinais opostos) ou de repulsão (sinais diferentes)

A intensidade da força elétrica entre duas cargas pontuais, Q₁ e Q₂, separadas por uma distância d é dada pela Lei de Coulomb:

Onde k é a constante eletrostática do meio. No vácuo,

É comum a utilização de prefixos juntos as unidades para representar a potência de base 10.

Exemplos:

a)       Duas partículas com cargas elétricas q₁ = +7µC e q₂= +4µC estão separadas no vácuo por uma distância de 1.10^-3 m. Calcule a intensidade da força elétrica entre as partículas.

b)      Duas partículas com cargas elétricas q₁ = +20ηC e q₂= -3µC estão separadas no vácuo por uma distância de 5 cm. Calcule a intensidade da força elétrica entre as partículas.

É importante observar:

·         A intensidade da força é diretamente proporcional as cargas, ou seja, quando a carga aumenta a força também aumenta na mesma proporção;

Exemplo:

Se a intensidade da força elétrica entre um corpo com carga q₁=+2µC e outro com carga q₂=-3µC, separados por uma distância D, é igual a 10N, qual a intensidade da força elétrica entre:

a)       Um corpo de carga q₁=+2µC e outro com carga q₂=-15µC separados por uma distância D?

	Antes	Depois	Operação
Q1	+2µC	+2µC	Nada
Q2	-3µC	-15µC	x 5 (aumentou 5 vezes)
F	10N	50N	x 5

b)      Um corpo de carga q₁=+1µC e outro com carga q₂=-21µC separados por uma distância D?

	Antes	Depois	Operação
Q1	+2µC	+1µC	÷ 2 (metade do valor)
Q2	-3µC	-21µC	x 7 (aumentou 7 vezes)
F	10N	35N	÷ 2  x 7

·         A intensidade da força é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas, ou seja, quando a distância aumenta a força diminui numa proporção quadrática;

Exemplos:

Considere a representação dos pares de corpos eletrizados. Considere que o valor das cargas seja q₁ e q₂ e que a força elétrica entre o par inicial tenha intensidade F.

a)       Qual será a intensidade da força elétrica Fa da figura, sabendo que a distancia entre as cargas é três vezes menor que a distância inicial?

Antes	Depois	Operação
d	d/3	÷ 3
F	9F	X 3² = x 9

b)      Qual será a intensidade da força elétrica Fb da figura, sabendo que a distância entre é 2 vezes maior que a distância inicial?

Antes	Depois	Operação
d	2d	x 2
F	F/4	÷ 2² = ÷ 4

Exercícios

Livro página 31 a 33.

 

Vídeos

Me Salva! ET10 - Lei de Coulomb (Parte I)

Me Salva! ET11 - Lei de Coulomb (Parte II)

Me Salva! ET12 - Lei de Coulomb: Exemplo I

Me Salva! ET13 - Lei de Coulomb: Exemplo II

Me Salva! ET14 - Lei de Coulomb: Exemplo III

Carga elétrica e Eletrização

Vamos iniciar o estudo da Eletricidade. É a Eletricidade que explica o funcionamento de aparelhos como chuveiros, ventiladores, computadores, telefones, etc. Esta parte da Física estuda os efeitos de uma propriedade chamada carga elétrica.

Livro didático: Capítulo 1 - Processos de eletrização

Elétrons, Prótons e Nêutrons

Hoje sabemos que a matéria é feita de átomos, os quais são formados por três tipos de partículas: os prótons, os nêutrons e os elétrons.

Carga Elétrica

A experiência mostra que :
I. Entre dois elétrons existe um par de forças de repulsão.
II. Entre dois prótons existe um par de forças de repulsão.
III. Entre um próton e um elétron existe um par de forças de atração.

Para explicar esses efeitos nós dizemos que os prótons e os elétrons têm uma propriedade chamada carga elétrica:
 - o próton tem carga elétrica positiva
 - o elétron tem carga elétrica negativa
A carga elétrica do nêutron é zero pois o nêutron não atrai nem repele prótons ou elétrons.

No século XVII, o cientista francês Charles Augustin Coulomb (1736-1806) preocupou-se em estudar as forças de interação entre dois corpos eletrizados e por isso a unidade de medida para carga elétrica é o C (Coulomb)

A carga elétrica do próton e do elétron são iguais em módulo e é chamada de carga elétrica elementar, representada por e, onde

e = 1,6 . 10^-19 C

Eletrização

Num átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons; portanto a carga elétrica total do átomo é igual a zero. No entanto, um átomo pode ganhar ou perder elétrons, tornando-se um íon.
O corpo que perde elétrons fica com um número maior de prótons, portanto sua carga é positiva (íon positivo = cátion). O corpo que ganha elétrons está com um número maior de elétrons, portanto, sua carga é negativa (íon negativo = aníon).

Eletrização por atrito

Para entender como ocorre a eletrização por atrito, faça a seguinte experiência: pegue uma caneta esferográfica e corte alguns pedaços de papel bem pequeno. Agora atrite a parte de trás da caneta em seu cabelo e depois aproxime a parte atritada aos pedaços de papel. Você irá observar os pequenos pedaços de papel sendo atraídos pela caneta.

Isso ocorre porque quando você atritou a caneta no seu cabelo, houve uma transferência de elétrons entre os dois corpos, o que deixou a caneta carregada eletricamente. Ao aproximar essa caneta dos pedaços de papel, que são neutros, eles serão atraídos.

Receber ou perder elétrons depende da substância de que é constituído o corpo. Esse fenômeno é chamado de triboelétrico e através de experimentos em laboratório são elaborada séries triboelétricas.

Eletrização por contato

Este tipo de eletrização ocorre quando um corpo condutor está carregado e entra em contato com um outro corpo. Neste processo, parte da carga irá ser transferida para o outro corpo de modo que os corpos envolvidos ficam carregados com cargas de mesmo sinal.

Na figura abaixo, vemos que a menina ao encostar em uma esfera condutora eletrizada, também ficou carregada com cargas de mesmo sinal da esfera. Prova disto, é observar que seu cabelo está "arrepiado". Como neste tipo de eletrização as cargas possuem mesmo sinal, os fios passam a se repelirem.

Eletrização por indução

A eletrização por indução pode ocorrer sem contato entre os corpos. Quando um corpo eletrizado (indutor) é aproximado de um condutor (induzido), inicialmente neutro, induz neste uma distribuição de cargas.

No esquema abaixo, mostramos uma forma de eletrizar duas esferas condutoras, inicialmente neutras, usando a indução.

Ao aproximar um bastão eletrizado positivamente, os elétrons do conjunto, serão atraídos para a extremidade mais próxima ao bastão. Mantendo ainda o bastão na mesma posição, separamos as esferas. Assim, a esfera mais próxima do bastão ficará com excesso de cargas negativas, enquanto a outra esfera ficará com falta de elétrons, ou seja, carregada positivamente.

Atividade experimental

Cabo de guerra elétrico

Objetivo: demonstrar a eletrização entre corpos.

Material: 2 bexigas, 1 lata de alumínio vazia, 2 panos secos de lã ou algodão, fita crepe ou adesiva

Instruções: livro didático página 66 ou Cabo de guerra elétrico.

Vídeos

Carga elétrica - Me Salva! ELT01 - Introdução: Carga Elétrica.

Eletrização por atrito – Me Salva!, ELT05 – Eletrização por atrito. 
Eletrização por contato – Me Salva! LT06 – Eletrização por contato.
Eletrização por indução – Me Salva! ELT08 – Eletrização por indução. 

Para saber mais

A experiência de Millikan e a carga do elétron – Livro didático, página 44

Habilidades

Descrever o modelo microscópico da eletricidade no interior da matéria

Referência

EducaBras, Corrente Elétrica - Carga Elétrica. 

Ponto Ciência, Cabo de guerra elétrico.

Toda Matéria, Processos de eletrização.

UOL Educação, Eletrização - Eletrização por atrito, contatoe indução. 

Equação reduzida da reta

A equação reduzida da reta r é dada por

y = mx + n

onde:
m é o coeficiente angular
n é o coeficiente linear
x e y são coordenadas de um ponto qualquer da reta

Hoje vamos construir uma reta utilizando os dados de tempo e distância percorrida por um aluno em linha reta. Qual o significado físico dos coeficientes m e n neste contexto?

Atividade 1

Material necessário: papel, lápis, régua, barbante, cronômetros (celular)
Organização: grupos de 5 alunos

Em uma folha de papel, construa a tabela como abaixo:

	tempo (s)	distancia (cm)
1
2
3
4

Marque em um pedaço de barbante (aproximadamente 2 metros) distancias iguais de 30cm.

No pátio da escola, posicione 4 alunos em fila cada um com um cronometro. Escolha um ponto inicial como referencia e anote a distancia de cada aluno ao ponto de referencia, em linha reta.

O quinto aluno deve partir do ponto de referencia e correr em linha reta passando pelos demais colegas inicialmente posicionados. Ao iniciar a corrida, todos os cronômetros devem ser zerados. Os cronômetros serão parados quando o corredor passar em frente ao respectivo aluno.

Anote os tempos na tabela.

Atividade 2

Material necessário: computador com Excel

Construa no Excel um gráfico com os dados da tabela da atividade anterior. Cada aluno deve ter o seu gráfico.
Clique aqui para ler as instruções sobre construção de gráfico no Excel.

Ao finalizar a atividade, envie o seguinte e-mail:

·         Para: paulaeneas@prof.educacao.sp.gov.br

·         Título: Equação reduzida da reta – 3º xxxx

·         Anexo: arquivo do Excel

·         Assunto:

Equação encontrada: y = mx +n (substitua pela equação encontrada).

O coeficiente m fisicamente representa ......... e o coeficiente n é ........