Escrito por Ualype Uchôa – Revisado por Filipe Alves
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:
Primeiramente, para entendermos completamente esse fenômeno, devemos definir o conceito de corpos condutores elétricos e isolante. Quando um corpo possui um grande número de portadores de cargas elétricas que podem ser mover com liberdade (se mover livramente, sem resistência do material), então ele será chamado condutor. Caso contrário, o corpo será denominado isolante.
Dito isso, como o nome desse processo de eltrização sugere, colocaremos um número qualquer de corpos condutores de eletricidade 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 aprofundado 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.