Eletrostática

A Eletrostática está associada às consequências da presença de uma determinada quantidade de carga elétrica, que se encontra parada, em um meio e em outras cargas. A carga é uma propriedade de cada material, podendo ser positiva, negativa ou neutra. Pelos princípios da Eletrostática, caso dois ou mais corpos tenham o mesmo sinal de carga, eles vão se repelir, e caso tenham sinais opostos, vão se atrair.

Só a existência de uma carga, ou monopólio elétrico, já implica a existência de um campo elétrico e de um potencial elétrico. Caso uma segunda carga elétrica sofra influência da primeira, resultando em seu deslocamento, isso implica na existência da força elétrica e energia potencial elétrica. Caso um corpo esteja isolado de outros, sua carga elétrica não muda, porém quando ocorrer algum tipo de interação com um segundo corpo, mesmo que seja apenas por aproximação, sua carga pode ser alterada.

Veja também: Eletricidade estática — o excesso de cargas elétricas em repouso em um corpo

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre Eletrostática
• 2 - O que é Eletrostática?
• 3 - Quais são as propriedades da Eletrostática?
  • → Carga elétrica
  • → Eletrização
  • → Potencial elétrico
  • → Força elétrica
  • → Energia potencial elétrica
  • → Campo elétrico
• 4 - Fórmulas da Eletrostática
• 5 - Princípios da Eletrostática
• 6 - Diferenças entre Eletrostática e Eletrodinâmica
• 7 - Exercícios resolvidos sobre Eletrostática

Resumo sobre Eletrostática

• A Eletrostática estuda o efeito causado pela presença de uma carga elétrica parada em um meio e em outras cargas.

• As cargas elétricas dos corpos podem ser positivas, negativas ou neutras.

• São propriedades da Eletrostática, além da carga elétrica: eletrização, potencial elétrico, força elétrica, energia potencial elétrica e campo elétrico.

• O processo por meio do qual se altera a carga de um corpo é a eletrização.

• Corpos com cargas de mesmo sinal se repelem, e de sinais opostos se atraem.

• Quando uma carga afeta apenas o meio, tem-se o campo elétrico ou potencial elétrico.

• Quando uma carga interfere em outras cargas, tem-se a força elétrica ou energia potencial elétrica.

• A Eletrostática possui três princípios: o princípio da atração e repulsão, o princípio da conservação de cargas elétricas e o princípio da eletrização.

• A Eletrostática se difere da Eletrodinâmica porque na Eletrodinâmica as cargas elétricas analisadas estão em movimento.

O que é Eletrostática?

A Eletrostática é a área da Física que tem como objeto de estudo as consequências da presença de uma carga elétrica com velocidade nula em um meio ou em outras cargas elétricas que se encontram próximas a ela.

Geralmente, as cargas que são afetadas, também chamadas de cargas de prova ou secundárias, entram em movimento devido à presença da carga principal, já que o módulo de suas cargas é inferior ao módulo da carga principal, podendo ser atraídas (cargas principal e secundárias com sinais inversos) ou repelidas (cargas principal e secundárias com os mesmos sinais).

Quais são as propriedades da Eletrostática?

A Eletrostática possui seis propriedades. Todas são relacionadas à presença de uma carga em repouso e sua ação em suas imediações.

→ Carga elétrica

A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria, que é determinada pela quantidade de prótons (partículas subatômicas de carga elementar positiva) ou elétrons (partículas subatômicas de carga elementar negativa) que determinado corpo possui em excesso.

É dito em excesso porque as cargas de mesmo sinal se anulam, logo a carga do corpo é medida pelos componentes excedentes. O módulo da carga elementar dos prótons e elétrons é 1,6·10^-19 C. Um corpo é considerado neutro quando sua quantidade de prótons e elétrons é igual. Sua unidade de medida é o coulomb (C).

→ Eletrização

A eletrização é o processo no qual se altera a carga de um corpo, havendo três tipos: eletrização por atrito, eletrização por contato e eletrização por indução.

→ Potencial elétrico

O potencial elétrico é a capacidade de um corpo carregado de atrair ou repelir outros corpos que também estão eletricamente carregados. Sua unidade de medida é o Volt (V).

→ Força elétrica

A força elétrica, também conhecida como lei de Coulomb, é força de atração ou repulsão entre dois ou mais corpos eletricamente carregados. Essa força é diretamente proporcional à carga dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Por se tratar de uma força, sua unidade de medida é o Newton (N).

→ Energia potencial elétrica

A energia potencial elétrica é aquela associada à capacidade de uma carga principal fazer com que uma carga de prova entre em movimento, indo do ponto A ao ponto B. Por se tratar de um tipo de energia, sua unidade de medida é o Joule (J).

→ Campo elétrico

O campo elétrico é a região que é influenciada pela presença de uma carga elétrica. Quando uma carga de prova é inserida nessa região, o campo elétrico e a força elétrica possuem a mesma direção, e seus sentidos vão depender dos sinais das cargas que geram e que sofrem a ação do campo elétrico. Essa grandeza vetorial apresenta duas unidades de medida: o Newton por Coulomb (N/C) e o Volt por metro (V/m).

Fórmulas da Eletrostática

As fórmulas associadas à Eletrostática estão relacionadas com suas respectivas propriedades na tabela a seguir.

Na tabela acima, é preciso considerar que:

• Q → carga elétrica (C).

• n → número de prótons ou elétrons em excesso no corpo.

• e → carga elementar de 1,6·10^-19 C.

• q → carga de prova ou secundária (C).

• d → distância — ela pode ser a distância entre duas cargas (no caso da força elétrica ou energia potencial elétrica) ou a distância entre a carga principal e o ponto onde o campo elétrico ou o potencial elétrico é analisado (m).

• F → força elétrica (N).

• k → constante Eletrostática do meio — no caso do vácuo, utiliza-se o valor de 9·10⁹ N·m²/C².

• E → campo elétrico (N/C ou V/m).

• V → potencial elétrico (V).

• Ep → energia potencial elétrica (J).

Princípios da Eletrostática

Os três princípios da Eletrostática são relacionados às cargas dos corpos.

• Princípio da atração e repulsão: quando corpos eletricamente carregados possuem cargas de mesmo sinal, estes vão se repelir. Caso suas cargas tenham sinais diferentes, eles vão se atrair.

• Princípio da conservação de cargas elétricas: quando um corpo ou sistema está eletricamente isolado, sua carga elétrica total é constante, ou seja, não sofre alteração.

• Princípio da eletrização: a carga elétrica de dois ou mais corpos pode ser alterada por meio da eletrização. Existem três tipos:

  • Atrito: consiste em atritar dois corpos neutros isolantes. Consequentemente, os componentes ficarão com a mesma quantidade de carga, porém sinais opostos.

  • Contato: consiste em fazer com que dois ou mais corpos condutores se encostem, sendo que pelo menos um deve estar carregado, consequentemente os componentes ficarão com a mesma quantidade de carga e com o mesmo sinal.

  • Indução: nesse processo, um corpo de material condutor carregado deve ser aproximado (sem contato) por um segundo corpo, também de material condutor, fazendo com que ocorra uma separação de carga no segundo corpo.

Diferenças entre Eletrostática e Eletrodinâmica

A Eletrostática estuda a influência de uma carga que está em repouso. Em contrapartida, a Eletrodinâmica estuda as consequências das cargas que estão em movimento, como a corrente elétrica, resistência elétrica, potência elétrica etc.

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Exercícios resolvidos sobre Eletrostática

Questão 1

Leia as afirmações a seguir:

I. O campo elétrico só ocorre quando há presença de uma carga principal e uma carga de prova que sofrerá sua ação.

II. A energia potencial elétrica é convertida em energia cinética, já que para que ela ocorra uma carga de prova deve se movimentar do ponto A ao B, e para que ocorra movimento é necessário velocidade.

III. Quando se tem uma carga positiva e outra negativa, a força elétrica entre elas será de atração.

IV. Um corpo é considerado neutro quando não possui prótons nem elétrons.

Marque a alternativa que corresponde à configuração correta da veracidade das afirmações anteriores.

A) FVVF

B) FFVV

C) VVFF

D) VFVF

E) FVFV

Resolução:

Alternativa A

I. Falso

Para que o campo elétrico ocorra, basta a presença de pelo menos um corpo carregado.

II. Verdadeiro

A energia cinética está associada à velocidade de um corpo, ou seja, seu movimento. Já para que uma carga se desloque do ponto A ao B deve haver movimento, a energia potencial elétrica é convertida em energia cinética.

III. Verdadeiro

Corpos com sinais opostos se atraem.

IV. Falso

Um corpo é considerado neutro quando possui a mesma quantidade de prótons e de elétrons.

Questão 2

Uma esfera possui 5,4·10³⁰ prótons e 9·10²⁹ elétrons. Marque a alternativa que representa a carga dessa esfera.

A) Neutra

B) – 8·10¹³ C

C) 9,3·10²¹ C

D) – 6,6·10³² C

E) 7,2·10¹¹ C

Resolução:

Alternativa E

Temos que

p = 5,4·10³⁰ = 54·10²⁹ — mudança feita para o valor ser igualado à potência de 10 da quantidade de elétrons para facilitar os cálculos.

e = 9·10²⁹

Q = ?

Para calcular a carga resultante do corpo, é necessário saber o valor de n. Este, por sua vez, será o módulo da diferença entre a quantidade de prótons e elétrons da esfera.

\(n=\left|p-e\right|=\left|{54\cdot10}^{29}-{9\cdot10}^{29}\right|={45\cdot10}^{29}\)

\(Q=n\cdot e={45\cdot10}^{29}\cdot{1,6\cdot10}^{-19}={72\cdot10}^{10}={7,2\cdot10}^{11}C\)

A carga elementar será positiva devido ao fato de haver prótons excedentes, e não elétrons.

Questão 3

Marque A para as propriedades da Eletrostática e B para as da Eletrodinâmica e marque a alternativa que corresponde à ordem correta das propriedades:

I. Corrente elétrica

II. Energia elétrica

III. Campo elétrico

IV. Força elétrica

V. Potência elétrica

A) ABABB

B) BABAB

C) BBAAB

D) AABBA

E) AAABB

Resolução:

Alternativa C

I. Corrente elétrica (Eletrodinâmica — B)

A corrente elétrica gera elétrons em movimento em um circuito fechado.

II. Energia elétrica (Eletrodinâmica — B)

A energia elétrica está relacionada com a potência elétrica. Para a Eletrostática, é a energia potencial elétrica.

III. Campo elétrico (Eletrostática — A)

O campo elétrico é a região influenciada apenas pela presença de uma carga elétrica.

IV. Força elétrica (Eletrostática — A)

A força elétrica é a atração ou repulsão de uma carga que é influenciada por uma carga em repouso.

V. Potência elétrica (Eletrodinâmica — B)

A potência elétrica é a energia elétrica consumida em um determinado tempo. Para a Eletrostática, é o potencial elétrico.

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