O que é força elétrica e qual sua origem? O que é a Lei de Coulomb? Como funciona o campo elétrico? Saiba mais sobre esses conceitos e mande bem em Física no Enem!
Nessa aula de Física para o Enem você irá rever a força elétrica de origem eletrostática, decorrente de cargas elétricas em repouso. Irá compreender e saber operar a famosa Lei de Coulomb, entendendo quando a força é de atração e quando é de repulsão. Vai revisar ainda o que é campo elétrico e vetor campo elétrico.
O que é força elétrica?
A força elétrica é uma das quatro forças existentes na natureza. Assim como a gravidade (outra força da natureza), ela age a distância. Ela pode ser muito mais forte que a força da gravidade, tudo depende das cargas geradoras de tal força como veremos mais a seguir.
Podemos dizer que força elétrica é capacidade de atração ou repulsão entre duas cargas elétricas. Tal força é definida pela Lei de Coulomb.
A Lei de Coulomb
A Lei de Coulomb diz que a força existente entre duas cargas é diretamente proporcional ao produto de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa e sempre será positiva. Matematicamente, temos:
Sendo,
- F a força elétrica (medida em Newtons),
- as cargas elétricas (medidas em Coulombs),
- d a distância entre as cargas (medidas em metros), e,
- K a constante eletrostática do meio, que no caso é o vácuo cujo valor é 9 x 109 N.m²/C²
Essa força elétrica pode ser de atração caso as cargas elétricas tenham sinais diferentes, ou repulsão caso sejam de sinais iguais. Acompanhe as figuras abaixo:
Sinais iguais se repelem:
Sinais diferentes se atraem:
Exemplos de como calcular a força elétrica
Vamos ver alguns exemplos de cálculo:
Exemplo 1: Determine a intensidade da força elétrica entre duas cargas elétricas positivas e iguais a 1C, situadas no vácuo e a 1 metro de distância entre elas e escreva se é de repulsão ou atração.
Dados:
Q1 = Q2 = 1C
Distância entre as cargas = 1 m
K = 9 x109 N.m²/C²
Resolução usando a Lei de Coulomb:
F = 9 x109 . 1 . 1/1²
F = 9 x109 N.m²/C²
A força é de repulsão pois as cargas elétricas possuem mesmo sinal.
Exemplo 2: Considere duas partículas carregadas respectivamente com +2,5 µC e -1,5 µC, dispostas conforme mostra a figura abaixo. Determine a intensidade da força que atua sobre a carga 2?
Como os sinais das cargas são diferentes, posso concluir que será força de atração. Vamos calcular então seu valor.
Portanto a força de atração que atua sobre a carga 2 tem módulo 0,375N.
Campo elétrico
A região do espaço ao redor de uma carga elétrica onde ela influencia é denominado campo elétrico.
Esse campo elétrico é um tipo de força existente ao redor das cargas elétricas. Convém falar aqui sobre carga elétrica puntiforme. Ela é um corpo eletrizado com dimensões desprezíveis. É muito, mas muito pequeno mesmo. Tendeu?!
Todo campo elétrico, como possui sentido, é uma grandeza vetorial também com módulo e direção.
Como calcular o campo elétrico
O campo elétrico pode ser calculado através da seguinte expressão:
Sendo:
- E a intensidade do campo elétrico (medido em N/C)
- K a constante eletrostática do meio (cujo valor é 9×109 N.m2/C2)
- d a distância entre a carga e um ponto distante onde se deseje calcular.
Lembre-se sempre de que, se a carga elétrica for positiva, as linhas do campo elétrico tem sentido saindo dela.
Por outro lado, se a carga elétrica for negativa, as linhas do campo elétrico tem sentido entrando nela.
Resumo sobre campo elétrico
Vetor campo elétrico
A cada campo elétrico observado, associamos um vetor campo elétrico. É importante lembrar que o vetor campo elétrico depende apenas do sinal da carga elétrica que o está gerando.
A força elétrica gerada pela carga tem mesma direção que o vetor campo elétrico, podendo apresentar sentidos iguais ou opostos.
Para compreender melhor isso que escrevi acima, vamos usar uma carga de prova que nada mais é do que uma outra carga elétrica colocada em um campo elétrico.
Exemplos
Vamos exemplificar quatro situações para que você entenda bem os sentidos do vetor campo elétrico e a força elétrica existente, ok?
Exemplo 1: Carga elétrica positiva e carga de prova positiva
Exemplo 2: Carga elétrica positiva e carga de prova negativa
Exemplo 3: Carga elétrica negativa e carga de prova positiva
Exemplo 4: . Carga elétrica negativa e carga de prova negativa
Importante você ter observado que enquanto a força elétrica é regida pelos sinais das duas cargas, se os sinais forem iguais há repulsão caso contrário é atração, o campo elétrico é regido apenas pelo sinal da carga geradora dele, se for negativa, tem sentido apontada para ela, e se for positiva, tem sentido de afastamento dela. Entendeu?!
Como calcular a intensidade do campo elétrico
Bom, agora que entendemos os sentidos da força do campo elétrico, podemos passar para o cálculo de sua intensidade.
Ele pode ser calculado através da seguinte expressão:
E = F / |q|
Sendo:
- E a intensidade do campo elétrico (medido em N/C)
- F a força elétrica (medida em Newton)
- q a carga elétrica geradora do campo (medida em Coulomb)
Campo elétrico uniforme
Quando certa região do espaço tem um campo elétrico e apresenta um vetor campo elétrico associado a ele com mesma direção, mesmo sentido e mesma intensidade em todos os pontos desse campo, nós definimos ele como campo elétrico uniforme.
Em todo campo elétrico uniforme, todas as linhas de força, que saem ou que chagam a carga, são necessariamente, paralelas e espaçadas igualmente uma da outra com mesmo sentido.
Exercícios resolvidos
Vamos ver uns exemplos de exercícios então.
1. Uma partícula puntiforme, de carga elétrica igual a 2,0.10-6C, é deixada em uma região de campo elétrico igual a 100 V/m. Calcule o módulo da força elétrica produzida sobre essa carga.
Dados:
E = 100 V/m
q = 2,0.10-6 C
Resolução:
2. Na ilustração, estão representados os pontos I, II, III e IV em um campo elétrico uniforme.
Uma partícula de massa desprezível e carga positiva adquire a maior energia potencial elétrica possível se for colocada em qual ponto? Justifique:
Resolução:
Em um campo elétrico uniforme, uma partícula positiva está com maior energia potencial elétrica quanto mais próxima estiver da placa positiva. Neste caso, o ponto I é o que a carga terá maior energia potencial.
Videoaula sobre força elétrica
Para terminar, assista à videoaula abaixo, gravada pelo nosso professor de Física, em que ele explica o que é força elétrica e como calculá-la.
Exercícios sobre força elétrica, campo elétrico e lei de Coulomb
Por fim, resolva os exercícios abaixo e veja se você realmente aprendeu tudo sobre força elétrica, campo elétrico e lei de Coulomb!
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igual a 5,0 m. Pode-se afirmar que a magnitude do campo elétrico é igual a
