As cargas elétricas são propriedades que podem ser representadas como positivas, para os prôtons, negativas, para os elétrons, e nula, para os nêutrons.
A carga elétrica é uma propriedade inerente a todos os corpos, sendo originada das partículas subatômicas. É conservada, ou seja, não pode ser gerada nem destruída, apenas transferida entre os corpos por meio dos processos de eletrização; e quantizada, medida em múltiplos inteiros da carga elementar.
Leia também: Corrente elétrica — o movimento ordenado das cargas elétricas
Resumo sobre carga elétrica
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Os tipos de carga elétrica são positiva, em relação aos prôtons, e negativa, em relação aos elétrons.
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A carga elétrica é medida pela unidade de Coulomb.
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A carga elétrica é calculada pelo produto da quantidade de elétrons ou prótons que estão em falta ou em excesso pela carga elementar.
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Os processos de eletrização podem ocorrer quando dois corpos se tocam, se atritam ou são induzidos.
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A carga elétrica dos elétrons é \(-1,6 \cdot 10^{-19}\ C\); a carga elétrica dos prótons é \(1,6 \cdot 10^{-19}\ C\); e a carga elétrica dos nêutrons é nula.
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Os sinais das cargas elétricas determinam a orientação do campo elétrico e da força elétrica.
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Tipos de carga elétrica
A carga elétrica pode ser classificada como positiva e negativa, tendo como única diferença o sinal algébrico. Por convenção, é estabelecido que a carga elétrica do elétron seja representada como negativa e a carga elétrica do próton como positiva, assim, havendo a sua mútua atração, como representado na imagem abaixo.
Unidade de medida da carga elétrica
De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (S.I.), a unidade de medida da carga elétrica é o Coulomb, em tributo ao físico Charles Coulomb (1736-1806), responsável pela formulação da lei de Coulomb, que calcula a força elétrica entre cargas elétricas.
Como calcular a carga elétrica?
A carga elétrica é calculada por sua fórmula, que relaciona a quantidade de elétrons ou prótons, em falta ou em excesso no átomo, à carga elementar, que é a carga do elétron.
\(Q=n\cdot e\)
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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, cujo valor é \(±1,6\cdot 10^{-19}\ C\) (positivo para prótons e negativo para elétrons).
Processos de eletrização
Processos de eletrização são métodos utilizados para eletrizar os corpos, modificando as suas quantidades de carga elétrica. Eles podem ocorrer por meio de contato, atrito ou indução.
→ Eletrização por contato
A eletrização por contato ocorre quando colocamos um corpo eletricamente carregado em contato com outro corpo, que pode estar eletricamente carregado ou eletricamente neutro.
Em ambas as situações, após o contato, haverá uma transferência de elétrons entre os corpos até que eles estejam em equilíbrio, com mesma carga elétrica. Esse valor pode ser calculado pela média aritmética entre os valores das cargas elétricas, representada pela fórmula:
\(Q_{nova} \frac{ Q_1+Q_2}2\)
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\(Q_{nova} \) → carga elétrica nova dos corpos, medida em Coulomb \([C]\).
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\(Q_1\) e \(Q_2\) → cargas elétricas iniciais dos corpos, medidas em Coulomb \([C]\).
→ Eletrização por atrito
A eletrização por atrito ocorre quando friccionamos dois corpos que estejam eletricamente neutros, possuindo mesma quantidade de prótons (cargas elétricas positivas) e elétrons (cargas elétricas negativas).
Após a fricção, um dos corpos receberá elétrons, ficando eletricamente negativo, e o outro corpo perderá elétrons, ficando eletricamente positivo, sendo isso determinado por meio da série triboelétrica, como podemos ver abaixo:
Por exemplo, após atritarmos o papel na pele humana, o papel ficará eletricamente negativo, por possuir afinidade elétrica com a carga elétrica negativa, e a pele humana ficará eletricamente positiva, por possuir afinidade elétrica com a carga elétrica positiva.
→ Eletrização por indução
A eletrização por indução consiste na transformação de um corpo neutro em um corpo eletricamente carregado por meio dos processos abaixo:
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Aproximar o corpo eletricamente neutro (chamado de induzido) do corpo carregado (chamado de indutor), aproximando as cargas elétricas de mesmo sinal e afastando as cargas elétricas de sinais diferentes.
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Ligar o corpo induzido em um fio terra, recebendo elétrons da terra ou perdendo elétrons para a terra.
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Eliminar o fio terra.
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Afastar o corpo indutor do corpo induzido.
Quantização da carga elétrica
A carga elétrica dos corpos é sempre quantizada, o que significa que seu valor é um múltiplo inteiro da carga elementar, já que um corpo eletrizado pode receber ou perder elétrons. A carga elementar é a nomenclatura dada à carga elétrica dos elétrons e prótons, que correspondem ao menor valor de carga elétrica unitária na natureza, valendo \(±1,6 \cdot 10^{-19}\) Coulomb, positivo para prôtons, negativo para elétrons e nulo para os nêutrons.
Campo elétrico
O campo elétrico é uma propriedade física intrínseca às cargas elétricas cuja orientação varia de acordo com o sinal da carga elétrica ao qual ele pertence. Se a carga elétrica for positiva, o campo elétrico terá a orientação saindo da carga elétrica, mas, se a carga elétrica for negativa, o campo elétrico terá a orientação entrando na carga elétrica. Ele pode ser calculado por meio da sua fórmula:
\(E=k\cdot \frac{|Q|}{d^2 }\)
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E → campo elétrico, medido em Newton \([N]\).
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Q → 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 \((N\cdot m)^2/C^2\).
Ou também pela fórmula que o relaciona à força elétrica e à carga elétrica:
\(E=\frac{F}q\)
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E → campo elétrico, medido em Newton \([N]\).
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F → força elétrica, medida em Newton \([N]\).
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q → carga elétrica, medida em Coulomb \([C]\).
Lei de Coulomb
A lei de Coulomb é a lei criada por Charles Coulomb com o intuito de calcular a intensidade da força elétrica entre pares de cargas elétricas. Sua orientação varia de acordo com os sinais dos pares de cargas elétricas, em que, se ambas as cargas elétricas tiverem o mesmo sinal, a força elétrica é de atração, mas, se as cargas elétricas tiverem sinais opostos, então a força elétrica é de repulsão.
Ela pode ser calculada por meio da sua fórmula:
\(F=k\cdot \frac{Q_1\cdot Q_2}{d^2} \)
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F → força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton \([N]\).
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\(Q_1\) e \(Q_2\) → 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 \((N\cdot m)^2/C^2\).
Ou também pela fórmula que a relaciona ao campo elétrico e à carga elétrica:
\(F=E\cdot q\)
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F → força elétrica, medida em Newton \([N]\).
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E → campo elétrico, medido em Newton \([N]\).
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q → carga elétrica, medida em Coulomb \([C]\).
Veja também: Circuito elétrico — o conjunto de elementos que constitui uma rede elétrica
Exercícios resolvidos sobre carga elétrica
Questão 1
(UEL) É conhecido que “cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas elétricas de sinais contrários se atraem”.
Dispõe-se de quatro pequenas esferas metálicas A, B, C e D. Verifica-se que A repele B, que A atrai C, que C repele D, e que D está carregada positivamente. Pode-se concluir que:
A) C está carregada negativamente.
B) A e C têm cargas do mesmo sinal.
C) A e B estão carregadas positivamente.
D) B tem carga negativa.
E) A e D se repelem.
Resolução:
Alternativa D
Analisando as informações dadas pelo enunciado, concluímos que:
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A esfera C e a esfera D se repulsam, para isso elas precisam ter sinais iguais, como a esfera D é positiva, então a esfera C também é positiva.
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A esfera A e a esfera C se atraem, para isso elas precisam ter sinais diferentes, como a esfera C é positiva, a esfera A é negativa.
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A esfera A e a esfera B se repulsam, para isso elas precisam ter sinais iguais, como a esfera A é negativa, a esfera B também é negativa.
Questão 2
(UFSM) Considere as seguintes afirmativas:
I. Um corpo não eletrizado possui um número de prótons igual ao número de elétrons.
II. Se um corpo não eletrizado perde elétrons, passa a estar positivamente eletrizado, e, se ganha elétrons, negativamente eletrizado.
III. Isolantes ou dielétricos são substâncias que não podem ser eletrizadas.
Está(ão) correta(s)
A) apenas I e II.
B) apenas II.
C) apenas III.
D) apenas I e III.
E) I, II e III.
Resolução:
Alternativa A
Apenas a alternativa III está incorreta, já que materiais isolantes, também chamados de dielétricos, podem ser eletrizados por atrito.