Aula 5.0 - Introdução à Eletrostática

Escrito por Ualype Uchôa

A eletrostática é o ramo da física que estuda as cargas elétricas em repouso e os fenômenos gerados pela interação entre elas, e ela será o foco inicial deste curso (Eletricidade e Magnetismo). Primeiramente, vamos entender o que são cargas elétricas.

A carga elétrica

Carga elétrica é uma propriedade intrínseca da matéria, que foi descoberta na Grécia Antiga: quando a lã, posteriormente atritada com âmbar, atraía ou repelia pequenos objetos próximos. A carga possui dois tipos distintos: positiva ou negativa. Há ainda o estado neutro, quando o número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas. Verificou-se, com experimentos, uma propriedade muito importante: cargas elétricas de sinais opostos se atraem, enquanto cargas de mesmo sinal se repelem. Outro fato muito importante é que a carga elétrica possui um valor mínimo (pelo menos em módulo), chamado de carga elétrica fundamental $e$, que vale cerca de $1,6 * 10^{-19}$ $C$, onde $C$ (o Coulomb) é a unidade de carga elétrica no SI. Este valor corresponde à carga da partícula fundamental que compõem o núcleo: o próton. Já o elétron, possui carga $-e$. Como todo corpo é formado por um certo número de prótons e elétrons, identificamos outra propriedade: a carga elétrica é uma grandeza quantizada; isto é, consiste de um múltiplo inteiro da carga elétrica fundamental:

$Q= ne$,

onde $n$ pode ser entendido como o número de prótons subtraído do número de elétrons. Caso o número de prótons seja maior do que o de elétrons, a carga do corpo é positiva; caso contrário, negativa.

Processos de Eletrização

Dizemos que um corpo está eletrizado quando ele está carregado positivo ou negativamente. Imagine que, de alguma forma, retiremos ou adicionemos elétrons a um corpo que estava inicialmente neutro. O corpo irá adquirir, então, certa carga. A este processo, damos o nome de eletrização. Existem diversos tipos de eletrização, dentre os quais estudaremos apenas os três principais: eletrização por atrito, contato e indução. Antes de tudo, é imprescindível saber que esses processos obedecem a um princípio chamado conservação da carga: assim como a energia, carga não pode ser criada tampouco destruída. Assim, o somatório das cargas no universo é constante. Para um sistema isolado, o somatório das cargas do sistema é constante.

Eletrização por atrito:

Considere dois materiais diferentes, cujas superfícies são friccionadas (atritadas) uma contra a outra. Os corpos cedem elétrons um para o outro, e, ao fim do processo, um deles estará carregado positivamente, e o outro negativamente, constituindo em uma eletrização por atrito. Há uma tabela chamada série triboelétrica, que indica a tendência de diversos materiais de doarem ou receberem elétrons, mostrada na figura abaixo:

Figura 1: A série triboelétrica.

Deve-se entender a série triboelétrica da seguinte forma: a tendência de um material de doar elétrons (e tornar-se mais positivo) é crescente quanto mais acima estivermos na lista, e a tendência de um material de receber elétrons (e tornar-se mais negativo) é crescente quanto mais abaixo na lista. Sendo assim, atritando-se poliéster com isopor, o isopor ficaria negativo e o poliéster positivo.

Eletrização por contato:

Como o nome sugere, colocaremos um número qualquer de corpos condutores de eletricidade (conceito que será aprofundado posteriormente) em contato direto uns com os outros. Para que o processo ocorra, é necessário que pelo menos um deles esteja eletrizado. Acontecerá um rearranjo de cargas entre os corpos até que todos atinjam o mesmo potencial elétrico (não se preocupe por enquanto, este conceito também será mostrado posteriormente). Um caso particular notável é que, se estivermos lidando com corpos iguais (mesma geometria, mesmo material), a carga final é igual para todos. Sendo assim, pela conservação da carga (sejam $q_1$, $q_2$, $q_3$ ... $q_n$ as cargas iniciais do primeiro, segundo, terceiro até n-ésimo corpo, respectivamente):

$q_1+q_2+q_3+...+q_n=nq_f$,

$q_f=\dfrac{q_1+q_2+q_3+...+q_n}{n}$.

Ou seja, a carga final corresponde à média aritmética das cargas iniciais.

Eletrização por indução:

Na eletrização por indução, haverá a eletrização de corpos sem que seja preciso o contato direto entre eles. Para a compreensão desse processo, vamos considerar a seguinte sucessão de procedimentos: inicialmente, temos dois corpos $A$ e $B$, com $A$ (o induzido) neutro e $B$ (o indutor) carregado negativamente.

1. Aproximamos $A$ de $B$. Cargas elétricas opostas se atraem e de sinais iguais se repelem, sendo assim, as cargas de $A$ são separadas:

Figura 2: Etapa 1 do processo de eletrização por indução.

 2. Ligamos o induzido à terra por meio de um fio condutor (este procedimento é conhecido como aterramento), o qual permite que os elétrons presentes em $A$ desçam para a terra a carga de $A$ se torne gradualmente mais positiva.

Figura 3: Etapa 2 do processo de eletrização por indução.

 3. Afastamos o corpo induzido. Então, ao fim, $A$ adquiriu uma carga total positiva, de sinal contrário àquela         de $B$.

Figura 4: Etapa 3 do processo de eletrização por indução.

Munidos destes conceitos fundamentais, estamos prontos para iniciar o estudo da Eletrostática de forma mais objetiva.