UMA carga pontual, No contexto do eletromagnetismo, é aquela carga elétrica de dimensões tão pequenas que pode ser considerada um ponto. Por exemplo, partículas elementares com carga elétrica, o próton e o elétron, são tão pequenas que suas dimensões podem ser omitidas em muitas aplicações. Considerando que uma carga é orientada por pontos torna o trabalho de calcular suas interações e entender as propriedades elétricas da matéria muito mais fácil..
As partículas elementares não são as únicas que podem ser cargas pontuais. O mesmo acontece com as moléculas ionizadas, as esferas carregadas que Charles A. Coulomb (1736-1806) usou em seus experimentos e até a própria Terra. Todas podem ser consideradas cargas pontuais, desde que as vejamos a distâncias muito maiores do que o tamanho do objeto..
Uma vez que todos os corpos são feitos de partículas elementares, a carga elétrica é uma propriedade inerente da matéria, assim como a massa. Você não pode ter um elétron sem massa, e nem pode ter carga.
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Até onde sabemos hoje, existem dois tipos de carga elétrica: positiva e negativa. Os elétrons têm carga negativa, enquanto os prótons têm carga positiva..
As cargas do mesmo signo se repelem, enquanto as do signo oposto se atraem. Isso é válido para qualquer tipo de carga elétrica, seja pontual ou distribuída sobre um objeto de dimensões mensuráveis..
Além disso, experimentos cuidadosos verificaram que a carga do próton e a do elétron têm exatamente a mesma magnitude..
Outro ponto muito importante a se considerar é que a carga elétrica é quantizada. Até o momento, nenhuma carga elétrica isolada de magnitude menor que a carga do elétron foi encontrada. Eles são todos múltiplos deste.
Finalmente, a carga elétrica é conservada. Em outras palavras, a carga elétrica não é criada nem destruída, mas pode ser transferida de um objeto para outro. Desta forma, se o sistema for isolado, a carga total permanece constante..
A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Coulomb, abreviado com C maiúsculo, em homenagem a Charles A. Coulomb (1736-1806), que descobriu a lei que leva seu nome e descreve a interação entre dois pontos de carga. Falaremos sobre ela mais tarde.
A carga elétrica do elétron, que é a menor possível que pode ser isolada na natureza, tem uma magnitude de:
e- = 1,6 x 10 -16 C
O Coulomb é uma unidade bastante grande, então os submúltiplos são frequentemente usados:
-1 mili C = 1 mC = 1 x 10-3 C
-1 micro C = 1 μC = 1 x 10-6 C
-1 nano C = 1 nC = 1 x 10-9 C
E como mencionamos antes, o sinal de e- é negativo. A carga do próton tem exatamente a mesma magnitude, mas com sinal positivo.
Os sinais são uma questão de convenção, ou seja, existem dois tipos de eletricidade e é necessário distingui-los, pois a um é atribuído um sinal (-) e o outro (+). Benjamin Franklin fez essa designação e também enunciou o princípio da conservação da carga..
Na época de Franklin, a estrutura interna do átomo ainda era desconhecida, mas Franklin observou que uma haste de vidro esfregada com seda ficou eletricamente carregada, chamando esse tipo de eletricidade de positivo..
Qualquer objeto que fosse atraído pela referida eletricidade apresentava um sinal negativo. Depois que o elétron foi descoberto, foi observado que a barra de vidro carregada os atraiu, e foi assim que a carga do elétron tornou-se negativa..
No final do século 18, Coulomb, um engenheiro do exército francês, passou muito tempo estudando as propriedades dos materiais, as forças que agiam nas vigas e a força de atrito..
Mas ele é mais lembrado pela lei que leva seu nome e que descreve a interação entre duas cargas elétricas pontuais.
Sejam duas cargas elétricas o que1 Y o quedois. Coulomb determinou que a força entre eles, seja atração ou repulsão, era diretamente proporcional ao produto de ambas as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas..
Matematicamente:
F∝ o que1 . o quedois / rdois
Nesta equação, F representa a magnitude da força e r é a distância que separa as cargas. A igualdade requer uma constante de proporcionalidade, que é chamada de constante eletrostática e é denotada como ke.
Desta forma:
F = k. o que1 . o quedois / rdois
Além disso, Coulomb descobriu que a força era direcionada ao longo da linha que conectava as cargas. Então sim r é o vetor unitário ao longo desta linha, a lei de Coulomb como vetor é:
Coulomb usou um dispositivo chamado equilíbrio de torção para seus experimentos. Por meio dele foi possível estabelecer o valor da constante eletrostática em:
ke = 8,99 x 109 N mdois/ Cdois ≈ 9,0 x 109 N mdois/ Cdois
Em seguida, veremos um aplicativo. Existem três cargas pontuais qPARA, o queB e queC que estão nas posições indicadas na figura 2. Vamos calcular a força resultante em qB.
A carga qPARA atrai a carga queB, porque são de signos opostos. O mesmo pode ser dito sobre qC. O diagrama do corpo isolado está na figura 2 à direita, no qual se observa que ambas as forças são direcionadas ao longo do eixo vertical ou eixo y, e possuem direções opostas..
A força resultante na carga qB isso é:
FR = FAB + FCB (Princípio da superposição)
Resta apenas substituir os valores numéricos, tomando o cuidado de escrever todas as unidades do Sistema Internacional (SI)..
FAB = 9,0 x 109 x 1 x 10-9 x 2 x 10-9 / (2 x 10-dois) dois N (+Y) = 0,000045 (+Y) N
FCB = 9,0 x 109 x 2 x 10-9 x 2 x 10-9 / (1 x 10-dois) dois N (-Y) = 0,00036 (-Y) N
FR = FAB + FCB = 0,000045 (+Y) + 0,00036 (-Y) N = 0,000315 (-Y) N
Essas duas forças têm a mesma forma matemática. Claro, eles diferem no valor da constante de proporcionalidade e no fato de que a gravidade trabalha com massas, enquanto a eletricidade trabalha com cargas..
Mas o importante é que ambos dependem do inverso do quadrado da distância.
Existe um tipo único de massa e é considerada positiva, por isso a força gravitacional é sempre atrativa, enquanto as cargas podem ser positivas ou negativas. Por esse motivo, as forças elétricas podem ser atrativas ou repulsivas, dependendo do caso..
E temos esse detalhe que deriva do exposto: todos os objetos em queda livre têm a mesma aceleração, desde que estejam próximos à superfície da Terra..
Mas se liberarmos um próton e um elétron perto de um plano carregado, por exemplo, o elétron terá uma aceleração muito maior do que o próton. Além disso, as acelerações terão direções opostas.
Por fim, a carga elétrica é quantizada, como já foi dito. Isso significa que podemos encontrar cargas 2,3 ou 4 vezes a do elétron -ou do próton-, mas nunca 1,5 vez essa carga. As massas, por outro lado, não são múltiplos de alguma massa única.
No mundo das partículas subatômicas, a força elétrica excede a força gravitacional em magnitude. No entanto, em escalas macroscópicas, a força da gravidade é a predominante. Onde? Ao nível dos planetas, do sistema solar, da galáxia e muito mais.
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