A carga elétrica é uma propriedade física fundamental da matéria e, em particular, dos prótons e elétrons das partículas subatômicas. Assim como os átomos têm massa, essas partículas têm carga, e há uma força elétrica e um campo elétrico associados a essa carga.
Propriedades da carga elétrica
A carga elétrica vem em duas variedades:carga positiva e carga negativa, que, como seus nomes sugerem, têm signos opostos (ao contrário da massa, que só tem uma variedade). Objetos com carga elétrica exercem força elétrica uns sobre os outros, da mesma forma que objetos com massa por meio da força gravitacional. Mas em vez de ser sempre uma força atrativa, como acontece com a massa, cargas opostas se atraem enquanto cargas semelhantes se repelem.
A unidade SI de carga é o coulomb (C). Um coulomb é definido como a quantidade de carga que pode ser transferida por um ampere de corrente elétrica em um segundo. Os portadores de carga fundamentais são o próton, com carga+ e, e o elétron, com carga-e, onde a carga elementare = 1.602 × 10-19 C.
A carga líquida em um objeto é o número de prótonsNpmenos o número de elétronsNevezese:
\ text {carga líquida} = (N_p - N_e) e
A maioria dos átomos é eletricamente neutra, o que significa que eles têm o mesmo número de prótons e elétrons, então sua carga líquida é 0 C. Se um átomo ganha ou perde elétrons, é chamado de íon e terá uma carga líquida diferente de zero. Objetos com carga líquida exibem eletricidade estática e podem se agarrar uns aos outros com uma força dependente da quantidade de carga.
Observe que esta transferência de elétrons entre átomos ou entre objetos também não resulta em mudança significativa na massa dos objetos. Isso ocorre porque, embora prótons e elétrons tenham a mesma magnitude de carga, eles têm massas muito diferentes. A massa de um elétron é 9,11 × 10-31 kg, enquanto a massa de um próton é 1,67 × 10-27 kg. Um próton é mais de 1.000 vezes mais pesado que um elétron!
Lei de Coulomb: Fórmula
A Lei de Coulomb dá a força eletrostáticaFentre duas cargas,q1eq2uma distânciarseparado:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Ondeké a constante de Coulomb = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Observe que esta força é umvetor,que aponta ao longo de uma linha direcionada para longe da outra partícula se as cargas forem iguais e em direção à outra partícula se as cargas forem opostas.
A lei de Coulomb, assim como a força da gravidade entre duas massas, é uma lei do inverso do quadrado. Isso significa que diminui como o inverso do quadrado da distância entre duas cargas. Em outras palavras, cargas duas vezes mais distantes sofrem um quarto da força. Mas, embora essa carga diminua com a distância, ela nunca vai a zero e, portanto, tem alcance infinito.
Exemplos para estudar
Exemplo 1:Uma carga de +2ee uma carga de -4esão separados por uma distância de 0,25 cm. Qual é a magnitude da força Coulomb entre eles?
Usando a lei de Coulomb, e certificando-se de converter cm em m, você obtém:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ vezes10 ^ 9) \ frac {(2 \ vezes 1,602 \ vezes10 ^ {- 19}) (- 4 \ vezes 1,602 \ vezes 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ vezes 10 ^ {- 22} \ texto {N}
Exemplo 2:Suponha que um elétron e um próton estejam separados por uma distância de 1 mm. Como a força gravitacional entre eles se compara à força eletrostática?
A força gravitacional pode ser calculada a partir da equação:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Onde a constante gravitacionalG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Conectar números dá:
F_ {grav} = (6,67 \ vezes 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ vezes 10 ^ {- 27}) (9,11 \ vezes 10 ^ {- 31})} {(1 \ vezes 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ vezes 10 ^ {- 61} \ text {N}
A força eletrostática é dada pela lei de Coulomb:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ vezes10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ vezes 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ vezes 10 ^ {- 19}) } {(1 \ vezes 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ vezes 10 ^ {- 22} \ text {N}
A força eletrostática entre o próton e o elétron é superior a 1039 vezes maior que a força gravitacional!