ELETRICIDADE 2ª PARTE: CAMPOS E ELETROSTÁTICA

QUAL A IDEIA DE CAMPO?

O estudo dos campos é de extrema importância na Física e na tecnologia, pois a partir de sua compreensão, a ciência pode melhor entender muitos fenômenos. Conhecendo o campo elétrico, pode-se explicar os relâmpagos, entendendo o campo magnético os motores elétricos puderam ser fabricados, o conhecimento do campo gravitacional foi possível entender como um planeta se mantém ao redor do sol e a lua ao redor da Terra e colocar satélites de comunicação orbitando a Terra. Para  ter noção de um campo, vamos analisar algumas situações que podemos comparar com um tipo de campo.

I) “Campo” sonoro

Imagine uma fonte sonora, como o sinal da Escola, que é usado para delimitar os horários das aulas. Quando estamos muito perto do aparelho, sentimos incômodos auditivos, conforme vamos afastando dele a intensidade diminui até se tornar quase inaudível quando estamos muito longe. Podemos dizer que o campo sonoro é uma região ao redor do aparelho que sensibiliza um instrumento de medição sonora.

II) “Campo” térmico.

Você já deve ter observado que conforme se aproxima de uma fonte de calor, a chama do fogão, por exemplo, a sensação de calor aumenta e diminui quando se distancia. De modo semelhante ao som, podemos dizer que ao redor da fonte de calor existe uma região que sensibiliza um aparelho de medição de temperatura, um termômetro, por exemplo.

III) Campo gravitacional

Todas as pessoas sentem o efeito da gravidade do nosso planeta, algumas já sentiram mais ao cair de uma

certa  altura, mas será que esse efeito é o mesmo estando perto ou longe da superfície terrestre? O físico Isaac Newton demonstrou que a intensidade do campo de gravidade ao redor de um corpo massivo, diminui de intensidade  com o quadrado da distância,   1/D², isto é, quando se sobe o dobro da altura, a intensidade cai pela  quarta parte, quando se sobe o triplo da altura essa intensidade cai para um nono do valor original.

g =G.m/d²

 onde: g = intensidade do campo gravitacional, M = massa do planeta, R = a distância em relação ao centro do planeta e G = constante gravitacional universal.

Nesse caso podemos observar que o campo gravitacional é uma região ao redor de um corpo com massa, na qual outra massa sofre uma força de atração dirigida para o centro do corpo.

IV) Campo magnético

De modo semelhante aos exemplos anteriores, ao redor de um imã há uma região na qual um objeto ferro-metálico sofre uma força de atração e outro imã pode sofrer atração ou repulsão. A intensidade também varia com a distância. Um campo magnético é polarizado, isto é, tem dois pólos, identificados por NORTE  ou SUL.

VI) Campo elétrico

Ao redor de um corpo eletricamente carregado há uma região  na qual uma carga elétrica pode sofrer uma força de atração ou de repulsão. Essa força aumenta ou diminui com o quadrado da distância. O campo elétrico gerado por uma carga é identificado por sinais positivo (+) ou negativo (-).

Observe que para cada tipo de campo é necessário que haja algo associado como responsável.

Nas aulas posteriores discutiremos os campos elétrico e magnético em mais detalhes

Atividades

1) Ao seu modo, explique o conceito de campo.

2) Entre os exemplos de campo citados, diga em qual deles a força é de repulsão e em qual, é de atração.

3) Para cada exemplo de campo, escreva o elemento responsável.

4) Cite um fator físico responsável pela variação da intensidade de um campo?

5) O raio terrestre (distância do centro à superfície) é próximo de 6600km. A que altura a intensidade do campo gravitacional deve ficar reduzida a um quarto?

6) Escreva o nome do campo relacionado a cada elemento gerador:

a) Massa    b) carga elétrica   c) material magnético   d) fonte sonora e) fonte de calor

7) O que diferencia um campo magnético de um campo elétrico, quanto a identificação?

8)  Existe campo nulo? Discuta.

INTRODUÇÃO AO CONCEITO DE CAMPO ELÉTRICO

1.0 Conceito de carga
Carga elétrica é uma propriedade conservativa das partículas associada a forças de atração ou de repulsão, convencionou-se a existência de dois tipos de carga: positiva e negativa.

1.1 Conservação da quantidade de carga elétrica.
O átomo possui duas partes principais: o núcleo onde estão os prótons com carga elétrica positiva (+) e os nêutrons, eletricamente neutros e a eletrosfera estão os elétrons com carga elétrica negativa (-).
Corpo eletricamente positivo: número de prótons maior do que o número de elétrons (+).
Corpo eletricamente negativo: número de prótons menor do que o número de elétrons (-).
Corpo eletricamente neutro: número de prótons igual ao de elétrons ( ).
Cargas elétricas de sinais contrários se atraem e de sinais iguais se repelem.

1.2 Campo elétrico
Uma carga elétrica ou um corpo eletricamente carregado gera ao seu redor, uma região, na qual uma carga de prova sofre a ação de uma força elétrica que pode ser de atração ou de repulsão.

A intensidade do campo elétrico (E) devido a presença de uma carga elétrica pode ser obtida pela relação entre a força (F) a qual a carga fica submetida e a quantidade de carga elétrica (q).

Campo elétrico de cargas individuais, podemos observar as linhas de campo saindo da carga positiva e chegando na carga negativa.
A análise da distância entre as linhas de campo indica a intensidade do campo, quanto mais próximas as linhas, maior a intensidade do campo.







Campo resultante da interação de cargas elétricas.

1.3  LEI DE COULOMB

Vimos anteriormente que uma carga elétrica gera em torno de si um campo elétrico no qual outra carga sofre ação de forças atrativas ou repulsivas. No séc. XVIII, o físico francês Charles Augustin de Coulomb, verificou que a força entre duas cargas elétricas obedece a uma lei idêntica à lei da gravitação universal estabelecida um século antes pelo físico inglês Isaac Newton, válido para corpos massivos. Coulomb verificou que a intensidade da força elétrica entre duas cargas q1 e q2 é diretamente proporcional ao produto dessas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância d que as separa.

Podendo ser expressa por meio da relação matemática, conhecida como lei de Coulomb.

F= força elétrica entre as cargas (sua unidade no S.I é o N). q1 e q2 são intensidades de carga elétrica (a unidade é o Coulomb (C)) , d é a distância entre as cargas (unidade é o metro (m)) e k é a constante elétrica do meio, no ar e no vácuo seu valor é próximo de:

Observe que a força entre duas cargas elétricas varia com o inverso do quadrado da distância entre elas, de modo que quando essa distância aumenta duas vezes, a intensidade da força diminui 4 vezes.

PARA APRENDER MAIS

https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/balloons

ATIVIDADES

8.   Quando a distância em relação a uma carga elétrica diminui, o que acontece com o campo elétrico gerado por essa carga?

9.     Qual a intensidade do campo elétrico gerado por uma carga q=0,5C, submetida a uma força F=50N?

10.     Aumentando-se a intensidade da carga elétrica. O campo elétrico aumenta ou diminui?

11.     A força entre duas cargas elétricas depende de que fatores?

12.     Se a distância entre duas cargas elétricas for multiplicada por 4, a força entre elas diminui em quanto?

13.     A constante gravitacional é da ordem de 10^-11 . Quantas vezes ela é menor do que a constante elétrica do vácuo? k = 10^9.

14.  Considerando a resposta da questão anterior, o que se pode dizer da força elétrica e da força gravitacional entre dois corpos?

15.     Você acha que a força elétrica entre um elétron e o núcleo do átomo é grande ou pequena? Justifique.

16.  Esfregue uma caneta no cabelo seco aproxime-a de pequenos pedaços de papel. Descreva o que acontece.

17.  Na experiência da caneta que atrai pequenos pedaços de papel, como é possível determinar a força elétrica envolvida?

18.  Considere duas cargas elétricas de intensidades q1 = +4 microcoulomb e q2 = -2 nanocoulomb. separadas no vácuo por uma distância de 2 mm.

a.        A força elétrica entre essas cargas é de atração ou de repulsão?

b.       Calcule o módulo da força elétrica entre as cargas Q e q.