1.1

Carga, Força e Campo Eléctrico

1.1.1 Carga Eléctrica

A carga eléctrica é uma propriedade fundamental da matéria. As partículas elementares detentoras desta propriedade são o electrão e o protão, ambas constituintes do átomo, localizando-se os protões no núcleo e os electrões em órbitas envolventes do mesmo. Além dos protões, o núcleo dos átomos é também constituído por neutrões, neutros do ponto de vista eléctrico.

As cargas eléctricas do protão, do electrão e do neutrão são, respectivamente,

as massas em repouso são

e os raios, assumindo-as esféricas, são

Os valores apresentados em (1.1) a (1.6) indicam que os protões e os neutrões são aproximadamente 2000 vezes mais densos que os electrões.

Os átomos neutros contêm o mesmo número de electrões e de protões. São exemplos de neutralidade eléctrica o átomo de hidrogénio, que contém um protão e um electrão, o átomo de hélio, que contém dois protões, dois electrões e dois neutrões, etc. Os átomos não neutros são designados por iões. Um átomo torna-se num ião negativo quando captura electrões numa das suas órbitas, e positivo quando os perde. Os protões, os electrões e em geral os iões são as entidades responsáveis pelo fenómeno da força eléctrica.

1.1.2 Força Eléctrica

A Lei de Coulomb estabelece que duas cargas eléctricas pontuais se atraem ou repelem com uma força cuja intensidade é

N, newton

(1.7)

em que e₀ define a permitividade do vazio, e Q_x, Q_y e r representam, respectivamente, os valores absolutos das cargas eléctricas e a distância entre as mesmas.

A força eléctrica é uma grandeza vectorial com intensidade, direcção e sentido. A direcção coincide com a recta que une as duas cargas, e o sentido é estabelecido pelo sinal das cargas em presença. A força é de atracção quando as cargas apresentam sinais contrários, como é o caso da força de atracção existente entre electrões e protões nos átomos, e de repulsão nos casos contrários. Em geral, num espaço preenchido por múltiplas cargas pontuais a força eléctrica exercida sobre cada uma delas resulta da soma vectorial de contribuições parciais. Na Figura 1.1 apresentam-se alguns exemplos elucidativos da intensidade, direcção e sentido da força exercida entre cargas eléctricas.

Figura 1.1 Força eléctrica exercida por um protão sobre um electrão (a), entre electrões (b) e por múltiplos electrões sobre um electrão (c) (as cargas positivas e negativas são representadas a branco e a cheio, respectivamente)

1.1.3 Campo Eléctrico

O campo eléctrico é uma medida da acção que uma carga exerce sobre as cargas eléctricas localizadas no seu raio de acção. A intensidade do campo eléctrico criado por uma carga pontual é expressa por

V/m, volt por metro

(1.8)

a qual, tendo em conta (1.7), permite constatar que

(1.9)

isto é, que a intensidade da força mais não é do que o produto da intensidade do campo criado pela carga Q_x, E_x, multiplicado pelo valor absoluto da carga nele imerso, Q_y. O campo eléctrico define uma grandeza de tipo vectorial. A direcção do vector campo eléctrico criado por uma carga eléctrica pontual é radial. Cargas positivas têm sentido divergente e cargas negativas têm sentido convergente (Figura 1.2). O produto indicado em (1.9) é válido ao nível vectorial, ou seja, o vector força eléctrica coincide com o produto do escalar carga pelo vector campo. Por exemplo, o vector campo eléctrico divergente criado por uma carga positiva quando multiplicado pelo sinal de uma carga negativa conduz, como se esperava, a um vector força eléctrica de atracção.

Figura 1.2 Campo eléctrico criado por cargas eléctricas pontuais