Carga elétrica

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Sabor em Física de Partículas

Números quânticos de sabor Isospin: I ou I3 Charme: C Estranheza: S Superioridade: T Inferioridade: B′ Números quânticos relacionados Número bariônico: B Número leptônico: L Isospin fraco: T or T3 Carga elétrica: Q Carga X: X Combinações Hipercarga: Y Y = (B + S + C + B′ + T) Y = 2 (Q − I3) Hipercarga fraca: YW YW = 2 (Q − T3) X + 2YW = 5 (B − L) Mistura de sabores Matrix CKM Matrix PMN Complementaridade de sabor

Carga elétrica (AO 1945: carga eléctrica) é uma propriedade física fundamental que determina as interações eletromagnéticas. Esta carga está armazenada em grande quantidade nos corpos ao nosso redor, mas a percepção dela não ocorre facilmente. Convenciona-se a existência de dois tipos de carga, a positiva e a negativa, que, em equilíbrio, são imperceptíveis. Quando há tal igualdade ou equilíbrio de cargas num corpo, diz-se que está eletricamente neutro, ou seja, está sem nenhuma carga líquida para interagir com outros corpos. Um corpo está carregado eletricamente quando possui uma pequena quantidade de carga desequilibrada ou carga líquida. Objetos carregados eletricamente interagem exercendo forças, de atração ou repulsão, uns sobre os outros. A unidade de medida da grandeza carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o coulomb, representado por C, que recebeu este nome em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb.

Entre partículas elétricas existem forças gravitacionais de atração devido às suas massas e forças elétricas devido às suas cargas elétricas. Nesse caso, as forças gravitacionais podem ser desprezadas, visto que a massa de uma partícula é ínfima. A força gravitacional só é perceptível quando há a interação entre corpo de massas de grandes proporções, como a terra e a lua, por exemplo.

As partículas elementares são o próton (protão), o elétron (electrão), o nêutron (neutrão) e o fóton (fotão). Os prótons e os elétrons possuem cargas elétricas iguais em módulo, enquanto que os nêutrons e os fótons são eletricamente neutros. Por mera convenção define-se que os prótons possuem uma carga elétrica elementar de uma unidade positiva, representada por +e, e também que os elétrons têm uma carga elétrica negativa, expressa por -e.

Quantização da carga. Nas colisões entre partículas a altas energias são produzidas muitas outras novas partículas, diferentes dos eletrões, protões e neutrões. Todas as partículas observadas têm sempre uma carga que é um múltiplo inteiro da carga elementar $e=1.602\times 10^{-19}C$ Assim, a carga de qualquer objeto é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar.

Nas experiências de eletrostática, as cargas produzidas são normalmente equivalentes a um número muito elevado de cargas elementares. Por tanto, nesse caso é uma boa aproximação admitir que a carga varia continuamente e não de forma discreta.

Conservação da carga'. Em qualquer processo, a carga total inicial é igual à carga final. No caso dos fenómenos em que existe transferência de eletrões entre os átomos, isso é claro que tenha que ser assim. No caso da criação de novas partículas não teria que ser assim, mas de facto em todos os processos observados nos raios cósmicos, e nos aceleradores de partículas, existe sempre conservação da carga; se uma nova partícula for criada, com carga negativa, será criada uma outra partícula com carga positiva.

Lei de Coulomb

Ver artigo principal: Lei de Coulomb

Essa lei estabelece que "a força de atração ou repulsão entre dois corpos carregados é diretamente proporcional ao produto de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância". Pela lei de Coulomb, duas cargas elétricas pontuais de 1 coulomb separadas de um metro exercem uma sobre a outra uma força de 9 × 10⁹ N, isto é, aproximadamente o peso de 900 000 toneladas. O coulomb é, portanto, uma unidade de ordem de grandeza elevada para exprimir quantidades de cargas estáticas e utilizam-se geralmente seus sub-múltiplos microcoulomb (μC) ou nanocoulomb (nC).

Outras unidades de medida de carga elétrica, usadas em situações especiais, são:

• Carga elementar (e);
• Ampère-hora (Ah);
• Abcoulomb (AbC);
• Statcoulomb (StC).

Força entre cargas

No século XVIII Benjamin Franklin descobriu que as cargas elétricas colocadas na superfície de um objeto metálico podem produzir forças elétricas elevadas nos corpos no exterior do objeto, mas não produzem nenhuma força nos corpos colocados no interior.

Duas cargas pontuais, separadas por uma distância r.

No século anterior Isaac Newton já tinha demonstrado de forma analítica que a força gravítica produzida por uma casca oca é nula no seu interior. Esse resultado é consequência da forma como a força gravítica entre partículas diminui em função do quadrado da distância.

Concluiu então Franklin que a força elétrica entre partículas com carga deveria ser também proporcional ao inverso do quadrado da distância entre as partículas. No entanto, uma diferença importante entre as forças elétrica e gravítica é que a força gravítica é sempre atrativa, enquanto que a força elétrica pode ser atrativa ou repulsiva:

• A força elétrica entre duas cargas com o mesmo sinal é repulsiva.

• A força elétrica entre duas cargas com sinais opostos é atrativa.

Vários anos após o trabalho de Franklin, Charles de Coulomb fez experiências para estudar com precisão o módulo da força eletrostática entre duas cargas pontuais.

Uma carga pontual é uma distribuição de cargas numa pequena região do espaço.

A lei de Coulomb estabelece que o módulo da força elétrica entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao valor absoluto de cada uma das cargas, e inversamente proporcional à distância ao quadrado

$F={\frac {k|q_{1}||q_{2}|}{K\;r^{2}}}$

onde $r$ é a distância entre as cargas, $q_{1}$ e $q_{2}$ são as cargas das duas partículas, $k$ é uma constante de proporcionalidade designada de constante de Coulomb, e $K$ é a constante dielétrica do meio que existir entre as duas cargas. A constante dielétrica do vácuo é exatamente igual a 1, e a constante do ar é muito próxima desse valor; assim, se entre as cargas existir ar, $K$ pode ser eliminada na equação.

No sistema internacional de unidades, o valor da constante de Coulomb é:

$k=9\times 10^{9}\ \mathrm {\frac {N\cdot m^{2}}{C^{2}}}$

Outros meios diferentes do ar têm constantes dielétricas K sempre maiores que o ar; consequentemente, a força elétrica será mais fraca se as cargas pontuais forem colocadas dentro de um meio diferente do ar.

Campo elétrico

Uma forma diferente de explicar a força eletrostática entre duas partículas com carga consiste em admitir que cada carga elétrica cria à sua volta um campo de forças que atua sobre outras partículas com carga. Se colocarmos uma partícula com carga $q_{0}$ num ponto onde existe um campo elétrico, o resultado será uma força elétrica ${\vec {F}}$; o campo elétrico ${\vec {E}}$ define-se como a força por unidade de carga:

${\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q_{0}}}$

Consequentemente, o campo elétrico num ponto é um vetor que indica a direção e o sentido da força elétrica que sentiria uma carga unitária positiva colocada nesse ponto.

Campo elétrico produzido por uma carga pontual positiva Q e representação do campo usando linhas de campo.

De forma inversa, se soubermos que num ponto existe um campo elétrico ${\vec {E}}$, podemos calcular facilmente a força elétrica que atua sobre uma partícula com carga $q$, colocada nesse sítio: a força será ${\vec {F}}=q\,{\vec {E}}$. Precisamos apenas de conhecer o campo para calcular a força; não temos de saber quais são as cargas que deram origem a esse campo.

No sistema SI, o campo elétrico tem unidades de newton sobre coulomb (N/C).

Como vimos, a força elétrica produzida por uma carga pontual positiva $Q$ sobre uma segunda carga de prova $q_{0}$ positiva é sempre uma força repulsiva, com módulo que diminui proporcionalmente ao quadrado da distância. Assim, O campo elétrico produzido por uma carga pontual positiva $Q$ são vetores com direção e sentido a afastar-se da carga, como se mostra no lado esquerdo da figura ao lado.

Uma forma mais conveniente de representar esse campo vetorial consiste em desenhar alguma linhas de campo, como foi feito no lado direito da figura anterior. Em cada ponto, a linha de campo que passa por esse ponto aponta na direção do campo. O módulo do campo é maior nas regiões onde as linhas de campo estão mais perto umas das outras.

Para calcular o valor do campo elétrico produzido pela carga pontual $Q$ num ponto, coloca-se uma carga de prova $q_{0}$ nesse ponto e divide-se a força elétrica pela carga $q_{0}$. Usando a lei de Coulomb, obtemos o módulo do campo elétrico produzido pela carga $Q$:

$E={\frac {k\,|Q|}{r^{2}}}$

onde $r$ é a distância desde a carga $Q$, que produz o campo, até o ponto onde se calcula o campo. O sinal da carga $Q$ indicará se o campo é repulsivo $(Q>0)$ ou atrativo $(Q<0)$.

O campo elétrico criado por uma única carga pontual é muito fraco para ser observado. Os campos que observamos mais facilmente são criados por muitas cargas; seria preciso somar vetorialmente todos os campos de cada carga para obter o campo total.

As linhas de campo elétrico produzidas por um sistema de muitas cargas já não serão retas, como na figura anterior, mas poderão ser curvas.

Carga por indução

Procedimento usado para carregar dois condutores com cargas iguais mas de sinais opostos.

Um método usado para carregar dois condutores isolados, ficando com cargas idênticas mas de sinais opostos, é o método de carga por indução ilustrado na figura. Os dois condutores isolados são colocados em contato. A seguir aproxima-se um objeto carregado, como se mostra na figura abaixo. O campo elétrico produzido pelo objeto carregado induz uma carga de sinal oposto no condutor que estiver mais próximo, e uma carga do mesmo sinal no condutor que estiver mais afastado.

A seguir, separam-se os dois condutores mantendo o objeto carregado na mesma posição. Finalmente, retira-se o objeto carregado, ficando os dois condutores carregados com cargas opostas; em cada condutor as cargas distribuem-se pela superfície, devido à repulsão entre elas, mas as cargas dos dois condutores já não podem recombinar-se por não existir contato entre eles.

Na máquina de Wimshurst, usa-se esse método para separar cargas de sinais opostos. Os condutores que entram em contato são duas pequenas lâminas metálicas diametralmente opostas sobre um disco isolador, quando passam por duas escovas metálicas ligadas a uma barra metálica.

As duas lâminas permanecem em contato apenas por alguns instantes, devido a que o disco roda. Se no momento em que duas das lâminas de um disco entram em contato uma lâmina do disco oposto estiver carregada, essa carga induzirá cargas de sinais opostos nas duas lâminas que entraram em contato. Essas cargas opostas induzidas em duas regiões do disco induzem também cargas no disco oposto, porque nesse disco também há uma barra que liga temporariamente as lâminas diametralmente opostas.

Em cada disco, após induzirem cargas no disco oposto, as cargas saltam para dois coletores ligados a duas garrafas metálicas; uma das garrafas armazena carga positiva e a outra carga negativa. Quando as cargas acumuladas nas garrafas forem elevadas produz-se uma descarga elétrica entre as pontas de duas barras ligadas às garrafas, ficando descarregadas. Essa descarga elétrica é um pequeno trovão com uma faísca bastante luminosa.

Os dois discos rodam em sentidos opostos e as duas barras que estabelecem o contato em cada disco e os dois coletores estão colocados de forma a que na rotação de cada lâmina no disco, primeiro seja induzida uma carga que a seguir induz carga oposta no disco oposto e logo passe para o coletor, ficando descarregada e pronta para iniciar outro ciclo.

A cada ciclo as cargas induzidas aumentam, porque cada lâmina é induzida pelas cargas de várias lâminas no disco oposto. Para iniciar o processo basta com que uma das lâminas tenha acumulado alguma pequena carga por contato com outro corpo como, por exemplo, o ar à volta. A localização inicial dessa lâmina com carga determinará qual das garrafas acumula carga positiva e qual negativa.

Ver também

• Lei de Coulomb
• Linhas de força
• Potencial elétrico
• Campo Elétrico