Força elétrica

A força elétrica é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Ela aparece sempre que há a presença de uma carga elétrica em um campo elétrico. Sua direção é paralela à reta que une suas cargas. Seu sentido pode ser repulsivo ou atrativo, dependendo do sinal das cargas. Já sua intensidade é encontrada por meio da lei de Coulomb.

A lei de Coulomb relaciona essa força de interação entre as cargas com a distância ao quadrado entre elas, considerando o meio em que essas cargas estão. O trabalho da força elétrica é determinado pela força que uma carga elétrica faz para se deslocar de um ponto a outro, independentemente do percurso. 

Veja também: Campo magnético — o espaço que surge quando as cargas elétricas estão em movimento

Resumo sobre força elétrica

• A força elétrica é a força de interação entre as cargas elétricas.

• A lei de Coulomb relaciona a intensidade da força elétrica com a distância entre duas cargas.

• Cargas elétricas de mesmo sinal se atraem, e cargas elétricas de sinais contrários se repelem.

• O trabalho é a quantidade de energia usada no deslocamento de um ponto a outro, independentemente da trajetória.

• O campo elétrico é o campo vetorial gerado ao redor de uma carga elétrica ou superfície eletrizada.

O que é força elétrica?

A força elétrica, ou força eletrostática, ocorre quando existe uma carga elétrica sob efeito de um campo elétrico. Ela é uma das quatro interações fundamentais, assim como a nuclear forte, a nuclear fraca e a gravitacional.

A direção da força elétrica é a mesma da reta que une as cargas. Seu sentido é atrativo se as cargas têm sinais diferentes e repulsivo se as cargas têm o mesmo sinal. Sua intensidade é calculada pela lei de Coulomb.

Ela é tida como uma grandeza vetorial, uma vez que apresenta módulo, direção e sentido. É de suma importância na escala macroscópica, sendo responsável pela estrutura da matéria e pela maioria dos fenômenos físicos e químicos atuantes em nosso cotidiano.

• Lei de Coulomb e a força elétrica

A lei de Coulomb, determinada por Charles-Augustin de Coulomb em 1785, é a fórmula que relaciona a intensidade da força eletrostática com a distância entre duas cargas, sendo a força diretamente proporcional ao produto dos módulos entre as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa as cargas.

\(\vec{F}\propto\left|Q_1\right|\ e\left|Q_2\right|\)

\(\vec{F}\propto\frac{1}{d^2}\)

Inclusive, por meio do sinal das cargas elétricas determinamos qual a força atuante sobre elas, podendo ser atrativa quando os sinais das cargas são opostos ou repulsiva quando as cargas possuem mesmo sinal, conforme a imagem abaixo.

A fórmula da lei de Coulomb é:

\(\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\ \bullet\left|Q_2\right|}{d^2}\)

• \(\vec{F} \) é a força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em newton [N].

• \(\left|Q_1\right| \)  e \(\left|Q_2\right|\) são os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb \([C].\).

• \(d \) é a distância entre as cargas, medida em metros [m].

• \(k \) é a constante eletrostática do meio, que varia de acordo com este, medida em \({\left(N\bullet m\right)^2/C}^2\).

◾ Videoaula sobre lei de Coulomb

Trabalho da força elétrica

O trabalho é o esforço feito para o deslocamento de um ponto a outro, independentemente da trajetória. Assim, o trabalho da força elétrica é a quantidade de energia que uma carga ganha ou perde para atravessar de A a B, ressaltando-se que isso ocorre em uma região com campo elétrico nulo, conforme a imagem:

Calculamos o trabalho a partir da fórmula:

\(W=\vec{F}\bullet d\bullet\cos{\theta}\)

• \(W\) é o trabalho, medido em joules [\(J\)].

• \(d\) é a distância deslocada, medida em metros \([m]\).

• \(\theta\) é o ângulo entre \(\vec{F}e\ d\), medido em graus.

Força elétrica e campo elétrico

O campo elétrico é o campo vetorial gerado ao redor de uma carga elétrica ou superfície eletrizada. Considerando uma carga fixa Q (também chamada de carga fonte ou criadora) e colocando uma carga de prova q  situada a uma distância d dela, surgirá uma força elétrica F atuando em q  devido à presença da carga Q, que cria um campo elétrico responsável pelo surgimento de F sobre q.

A direção do campo elétrico é a mesma da força, sendo paralela a esta. Seu sentido será o mesmo da força se a carga for positiva, mas seu sentido será oposto à força se a carga for negativa. A força elétrica é calculada pela seguinte fórmula:

\(\vec{F}=\left|q\right|\bullet\vec{E}\)

• q é a carga elétrica, medida em Coulombs [C].

• \(\vec{E}\) é o campo elétrico, medido em [\( [N/C]\)].

Leia também: Linhas de força — linhas imaginárias cujas tangentes mostram a direção do campo elétrico

Exercícios resolvidos sobre força elétrica

Questão 1

(FEI-SP) A intensidade do vetor campo elétrico num ponto P é \(6\bullet{10}^5N/C\). Uma carga puntiforme \(q=3\bullet{10}^{-6}\ C\) colocada em P ficará sujeita a uma força elétrica cuja intensidade:

A) para o cálculo, necessita da constante do meio em que a carga se encontra.

B) para o cálculo, necessidade da distância.

C) vale 2 N.

D) vale 2 × 10 (-11) N.

E) vale 1,8 N.

Resolução:

Alternativa E

Sabendo que as cargas puntiformes são corpos eletrizados de dimensões tão pequenas comparadas com a distância entre elas que são desprezíveis, usando a fórmula que relaciona a força elétrica com o campo elétrico, temos:

\(\vec{F}=\left|q\right|\bullet\vec{E}\)

\(\vec{F}=\left|3\bullet{10}^{-6}\right|\bullet6\bullet{10}^5\)

\(\vec{F}=18\bullet{10}^{-6+5}\)

\(\vec{F}=18\bullet{10}^{-1}\)

\(\vec{F}=1,8\ N\)

Questão 2

(PUC-Rio) Dois objetos metálicos esféricos idênticos, contendo cargas elétricas de 1C e de 5C, são colocados em contato e depois afastados a uma distância de 3 m. Considerando a Constante de Coulomb k = 9 x 10⁹N m²/C², podemos dizer que a força que atua entre as cargas após o contato é:

A) atrativa e tem módulo \(3\bullet{10}^9N\).

B) atrativa e tem módulo \(9\bullet{10}^9N\).

C) repulsiva e tem módulo \(3\bullet{10}^9N\).

D) repulsiva e tem módulo \(9\bullet{10}^9N\).

E) zero.

Resolução:

Alternativa D

Inicialmente, as cargas estão em contato, então haverá uma troca de elétrons entre ambas até que fiquem com a mesma carga elétrica. Assim, calcularemos a média aritmética entre as duas cargas:

\(\frac{5+1}{2}=\frac{6}{2}=3\ C\)

Em seguida, calcularemos a força elétrica através da lei de Coulomb:

\(\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\ \bullet\left|Q_2\right|}{d^2}\)

Como as cargas elétricas possuem o mesmo sinal, elas são repulsivas. Então, substituindo os valores, encontramos o valor da força elétrica.

\(\vec{F}=9\bullet{10}^9\bullet\frac{\left|3\right|\ \bullet\left|3\right|}{3^2}\)

\(\vec{F}=9\bullet{10}^9\frac{9}{9}\)

\(\vec{F}=9\bullet{10}^9N\)