A força elétrica é uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com a gravitacional, a forte e a fraca. Ela é responsável por muitos dos fenômenos elétricos e eletrostáticos observados cotidianamente. A compreensão desses conceitos é crucial para o desenvolvimento de tecnologias e para a aplicação em diversas áreas da ciência e engenharia.

O que é Força Elétrica?

Força elétrica é a força de atração ou repulsão entre partículas carregadas. Essa força é de natureza eletromagnética e pode ser observada tanto em cargas em repouso quanto em movimento. No caso de cargas em repouso, essa interação é puramente elétrica e é descrita pela Lei de Coulomb.

Lei de Coulomb

Formulada em 1785 pelo físico francês Charles-Augustin de Coulomb, a Lei de Coulomb quantifica a magnitude da força elétrica entre duas cargas pontuais. Segundo essa lei, a força entre duas cargas é diretamente proporcional ao produto das magnitudes das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. A expressão matemática é dada por:

F = k \cdot \frac{|q_1| \times |q_2|}{r^2}

onde:

• F é a magnitude da força entre as cargas,
• q1​ e q2​ são as magnitudes das cargas,
• r é a distância entre as cargas,
• k é a constante de Coulomb, cujo valor depende do meio no qual as cargas estão inseridas. No vácuo, k é aproximadamente 8,987×10^9 N m^2/C^2 .

Direção e Sentido da Força Elétrica

A força descrita pela Lei de Coulomb é uma força vetorial, o que significa que tem direção e sentido. As cargas de sinais iguais se repelem e de sinais opostos se atraem. A direção da força é sempre na linha reta que conecta as duas cargas.

Experimentos de Coulomb

Os experimentos de Charles-Augustin de Coulomb, que levaram ao desenvolvimento da sua famosa lei que descreve a força elétrica entre duas cargas, são um marco na história da física. Esses experimentos foram cruciais para a formulação da teoria eletrostática e influenciaram profundamente o estudo do eletromagnetismo. Vamos explorar como Coulomb chegou à sua lei e quais técnicas ele utilizou.

Contexto Histórico

Charles-Augustin de Coulomb, um engenheiro militar francês, publicou suas descobertas sobre a força elétrica em 1785, em uma série de memórias apresentadas à Academia Francesa de Ciências. Essas descobertas foram baseadas em uma série de experimentos meticulosos que ele realizou usando um instrumento que ele mesmo projetou, conhecido como a balança de torção.

A Balança de Torção

A balança de torção é um aparelho que permite medir forças muito pequenas através da torção de um fio. Coulomb a usou para estudar as forças de atração e repulsão entre cargas elétricas, bem como entre polos magnéticos.

Estrutura da Balança de Torção

• Fio de Torção: Um fio fino e leve que pode torcer, proporcionando uma forma de medir pequenas forças baseadas no ângulo de torção.
• Barra Horizontal: Uma barra leve presa ao fio, com pequenas esferas de metal fixadas em cada extremidade.
• Esferas Carregadas: Esferas que podem ser eletricamente carregadas, uma fixa e outra na extremidade livre da barra horizontal.

Experimentos com a Balança de Torção

1. Medição da Força: Coulomb carregou duas esferas, uma fixa e outra na extremidade da barra na balança de torção. Ao variar a distância entre as esferas, ele mediu a força de repulsão ou atração ajustando o fio de torção até que a barra voltasse a sua posição de equilíbrio.
2. Variação da Distância: Alterando a distância entre as esferas, Coulomb foi capaz de observar que a força entre elas variava de maneira inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separava.
3. Proporcionalidade às Cargas: Ele também experimentou com diferentes quantidades de carga nas esferas, concluindo que a força é diretamente proporcional ao produto das magnitudes das cargas.

Aplicações da Lei de Coulomb

A Lei de Coulomb tem aplicações práticas significativas, incluindo:

1. Design de capacitores: Engenheiros usam a lei para calcular a força entre as placas carregadas de um capacitor, o que é essencial para o design de circuitos eletrônicos.
2. Estudo de fenômenos eletrostáticos: A lei ajuda a entender como cargas elétricas se distribuem em superfícies condutoras e como campos elétricos se formam ao redor de objetos carregados.
3. Telecomunicações: A manipulação de campos eletrostáticos é fundamental na transmissão de sinais através de cabos e no funcionamento de antenas.

Limitações da Lei de Coulomb

Apesar de sua ampla utilidade, a Lei de Coulomb possui limitações. Ela se aplica rigorosamente apenas a cargas pontuais ou esféricas em repouso. Em situações onde as cargas estão em movimento, outras forças e efeitos, como a força magnética e a relatividade, devem ser considerados.

Exercícios de Vestibulares

Exercício 1:

(UNESP-SP) Considere uma experiência em que três cargas pontuais de igual módulo estão alinhadas e igualmente espaçadas. As cargas A e C são fixas, e os sinais das cargas A, B e C obedecem a uma das três configurações seguintes:

• Configuração 1: A positiva, B negativa, C positiva.
• Configuração 2: A negativa, B positiva, C negativa.
• Configuração 3: A positiva, B positiva, C positiva.

Para que a carga B esteja solta e em equilíbrio, qual das configurações pode ser usada?

Resolução:

Para que a carga B esteja em equilíbrio, a força resultante sobre ela deve ser zero. Na configuração 1, as forças de A e C sobre B são atrativas e se cancelam, pois A e C têm cargas opostas a B, mas iguais entre si.

A fórmula da Lei de Coulomb que descreve a força entre duas cargas é:

F = k \cdot \frac{|q_1 \times q_2|}{r^2}

Considerando as distâncias e as magnitudes das cargas iguais, a força de A sobre B se cancela com a força de C sobre B, resultando em um equilíbrio.

Resposta: Configuração 1 e 3.

Exercício 2:

(UEA) Se a intensidade média da corrente elétrica em um raio é de 80 A e o seu tempo médio de duração é 0,20s, a quantidade de carga elétrica total, em coulombs, transportada pelos raios em um dia no estado do Amazonas é igual a, considerando uma média de 50000 raios por dia:

Resolução:

A carga elétrica Q transportada por um raio pode ser calculada pela relação:

Q = I \times t

onde I é a corrente (80 A) e t é o tempo (0,20 s). Para um raio, temos:

Q = 80 \times 0.20 = 16 \, \text{C}

Multiplicando pela quantidade de raios por dia (50000), a carga total Q_{tot}​ é:

Q_{\text{total}} = 16 \times 50000 = 800000 \, \text{C}

Resposta: 8,0 × 10^{5} C.

Exercício 3:

(PUC) Seja F a intensidade da força de atração elétrica entre duas partículas carregadas com cargas +q e -q , separadas por uma distância d. Se a distância entre as partículas for reduzida para d/3, a nova intensidade da força de atração elétrica será:

Resolução:

A Lei de Coulomb é dada por:

F = k \cdot \frac{|q_1 \times q_2|}{r^2}

Quando a distância é reduzida para d/3, a nova força F′ é:

F' = k \cdot \frac{|q \times (-q)|}{(d/3)^2} = k \cdot \frac{q^2}{d^2/9} = 9 \cdot k \cdot \frac{q^2}{d^2} = 9F

Repare que a distância afeta a magnitude a força elétrica de forma quadrática. Ou seja, se a distância dobrar, a força é 4 vezes menor. Se a distância entre cargas triplicar, a força elétrica será 9 vezes menor.

Exercício 4: (UFGO)

(UFGO) Duas esferas metálicas inicialmente eletrizadas com cargas de 10µC e -2 µC são postas em contato. Após o equilíbrio eletrostático, as esferas são separadas. Percebe-se que a primeira fica com carga de 5µC e a outra, com 3µC. É correto afirmar que durante o contato a segunda esfera:

Resolução:

Inicialmente, a carga total é 10µC+(−2µC)=8µC. Quando duas esferas são postas em contato e chegam ao equilíbrio, a carga se distribui igualmente. Cada esfera acaba com metade da carga total:

Q_{final} = \frac{8µC}{2} = 4µC

No entanto, como a questão indica cargas finais de 5µC e 3µC, ocorre uma redistribuição desigual, provavelmente devido a diferenças no tamanho ou na capacidade de armazenamento de carga das esferas.

Exercício 5: (UFPI)

Um corpo metálico A, eletrizado negativamente, é posto em contato com outro corpo metálico B, neutro. Sobre a transferência de cargas elétricas entre os dois corpos, até adquirirem equilíbrio eletrostático, qual é a alternativa correta?

Resolução:

Quando um corpo eletrizado negativamente é colocado em contato com um corpo neutro, elétrons (que possuem carga negativa) serão transferidos do corpo eletrizado para o corpo neutro para que ambos alcancem um estado de equilíbrio eletrostático.

Resposta: Passarão elétrons do corpo A para o corpo B.

Recomendações de Outros Sites

(Sites de queridos Colegas da Web) Força Elétrica e Lei de Coulomb:

https://www.preparaenem.com/fisica/forca-eletrica.htm

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/trabalho-forca-eletrica.htm

Conclusão

A Lei de Coulomb é fundamental para o entendimento das interações eletrostáticas e tem profundas implicações em várias áreas da tecnologia e da ciência. Apesar de suas limitações, fornece uma base sólida para o estudo da eletrostática e continua sendo uma ferramenta essencial no arsenal de físicos e engenheiros. Compreender a força elétrica e a Lei de Coulomb permite-nos explorar mais a fundo o comportamento das cargas elétricas e sua influência no mundo ao nosso redor.