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
Tópicos deste artigo
- 1 - Resumo sobre força elétrica
- 2 - O que é força elétrica?
- 3 - Trabalho da força elétrica
- 4 - Força elétrica e campo elétrico
- 5 - Exercícios resolvidos sobre força elétrica
Resumo sobre força elétrica
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A força elétrica é a força de interação entre as cargas elétricas.
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A lei de Coulomb relaciona a intensidade da força elétrica com a distância entre duas cargas.
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Cargas elétricas de mesmo sinal se atraem, e cargas elétricas de sinais contrários se repelem.
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O trabalho é a quantidade de energia usada no deslocamento de um ponto a outro, independentemente da trajetória.
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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.
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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:
\(\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\ \bullet\left|Q_2\right|}{d^2}\)
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\(\vec{F} \) é a força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em newton [N].
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\(\left|Q_1\right| \) e \(\left|Q_2\right|\) são os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb \([C].\).
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\(d \) é a distância entre as cargas, medida em metros [m].
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\(k \) 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:
\(W=\vec{F}\bullet d\bullet\cos{\theta}\)
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\(W\) é o trabalho, medido em joules [\(J\)].
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\(d\) é a distância deslocada, medida em metros \([m]\).
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\(\theta\) 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:
\(\vec{F}=\left|q\right|\bullet\vec{E}\)
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q é a carga elétrica, medida em Coulombs [C].
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\(\vec{E}\) 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.
\(\vec{F}=9\bullet{10}^9\bullet\frac{\left|3\right|\ \bullet\left|3\right|}{3^2}\)
\(\vec{F}=9\bullet{10}^9\frac{9}{9}\)
\(\vec{F}=9\bullet{10}^9N\)
