Carga e campo elétrico
Estrutura atómica, conservação da carga, lei de Coulomb e força de Lorentz.
Esfrega um balão no cabelo e aproxima-o de pedacinhos de papel: os pedacinhos saltam para o balão sem lhes tocares. O balão ficou com carga elétrica em excesso depois da fricção. A carga mede esse excesso. A força descreve a atração num par de objetos. O campo descreve a força que uma carga de prova sentiria em cada ponto, mesmo antes de lá colocares o papel.
Um corpo está eletricamente neutro quando a sua carga total é nula, ou seja quando a carga positiva dos protões presos no núcleo compensa a carga negativa dos eletrões. Neutro não significa incapaz de sofrer ou exercer forças.
O papel continua neutro enquanto salta para o balão. O campo do balão desloca as cargas de cada molécula com sinal oposto ao do balão para a face mais próxima e afasta as do mesmo sinal: a nuvem eletrónica desloca-se em relação aos núcleos, que no isolador não andam livremente. Cada molécula fica polarizada: as cargas positivas e negativas deixam de ter o mesmo centro. Forma-se um dipolo induzido, distinto de um dipolo permanente.
Como o campo do balão é mais intenso no lado próximo, a atração desse lado vence a repulsão do lado afastado, qualquer que seja o sinal do balão. Num campo uniforme, as duas forças de um dipolo ideal cancelar-se-iam; é a variação espacial do campo que permite esta atração resultante.
Nos esfregamentos do dia a dia movem-se eletrões; os protões ficam presos nos núcleos. Se o corpo ganha eletrões fica negativo, se perde eletrões fica positivo.
Estrutura atómica e carga
O núcleo contém protões e neutrões; os eletrões ocupam estados quânticos à sua volta. O modelo de pequenas órbitas planetárias ajuda a separar núcleo e eletrões, mas não descreve literalmente o movimento destes. O átomo tem dimensão da ordem de e o núcleo da ordem de .
A deflexão de raios catódicos mostrou que o feixe contém partículas negativas. Medir a sua trajetória em campos conhecidos permite obter a razão carga/massa. A experiência das gotas de óleo mostrou uma unidade comum nas cargas medidas. A dispersão de partículas alfa por uma folha metálica revelou um núcleo pequeno e positivo. Movimento browniano e estequiometria dão outras evidências da estrutura atómica.
A carga elétrica é um escalar, medido em coulombs, . A dimensão é corrente × tempo. A carga elementar é exatamente
Um eletrão tem , um protão , um neutrão zero e uma partícula alfa . A carga total de um sistema isolado conserva-se. A carga de um corpo isolado é um múltiplo inteiro de , embora esse múltiplo possa ser enorme.
Por exemplo, um corpo com tem aproximadamente eletrões em excesso. O sinal negativo descreve o excesso, não um número negativo de eletrões.
Lei de Coulomb
Para cargas pontuais paradas no vazio, o módulo da força é
A força atua na reta entre as cargas. Cargas do mesmo sinal repelem-se; sinais opostos atraem-se. As duas forças têm módulos iguais e sentidos opostos, mesmo quando . Duplicar a distância divide ambas por quatro, porque a dependência é .
Para corpos extensos, soma as contribuições de pequenos elementos . Não uses a distância entre centros sem justificar uma aproximação de carga pontual ou uma simetria esférica adequada.
Sobreposição
O campo elétrico é a força elétrica por unidade de carga de prova, com . A sua unidade é . Uma carga positiva sente força no sentido do campo; uma negativa sente força no sentido oposto. Esta definição usa apenas a parcela elétrica; a força magnética trata-se à parte em Lorentz.
Para uma carga na posição , o campo num ponto diferente dessa posição é
O sinal de já inverte o sentido, por isso não o invertas uma segunda vez ao usar a fórmula vetorial; o campo soma componentes, não módulos.
Exemplo: um dipolo
Colocamos em e em . Queremos o campo em .
Cada distância vale . Os módulos são . Os sentidos são e , respetivamente. Por isso,
As componentes verticais cancelam-se e as horizontais somam-se, como esperado de duas cargas opostas. Para separação vetorial da carga negativa para a positiva, define-se o momento dipolar , em . Num campo uniforme, a força total é zero, mas o torque é . Num campo não uniforme pode haver também força resultante.
Força de Lorentz
Uma carga em movimento sente
é o campo de indução magnética, em teslas, . O produto vetorial é perpendicular a e ; usa a mão direita e aplica depois o sinal da carga. Nas bases cartesianas, , e ; inverter a ordem troca o sinal e versores paralelos dão zero. A componente magnética não realiza trabalho, porque , mas a componente elétrica pode alterar a rapidez.
Por exemplo, e dão . Num eletrão, a força magnética aponta para e tem módulo .
Trajetórias e referenciais
Num campo elétrico uniforme e sem campo magnético, a aceleração é . Se a velocidade inicial é perpendicular ao campo, a trajetória é parabólica. Com e , eliminamos o tempo e obtemos .
Num campo magnético uniforme, sem campo elétrico, a componente perpendicular da velocidade descreve uma circunferência:
Uma componente paralela acrescenta movimento uniforme e forma uma hélice; estas expressões usam mecânica não relativista. Num seletor com campos perpendiculares, a passagem sem desvio exige ; na geometria adequada, .
Ver campos noutro referencial
O campo elétrico e o magnético dependem do referencial. Os valores numéricos deste exemplo são adaptados do mini-teste A de 2025/26 para treinar o mesmo cancelamento. Para um referencial que se move com velocidade e , a primeira aproximação é . A transformação de contém ; só podemos desprezá-lo quando esse termo é pequeno no problema.
A carga momentaneamente em repouso pode sentir força elétrica no novo referencial. Não desaparece a interação por desaparecer .
Por exemplo, , e dão . O campo elétrico no referencial que acompanha a partícula é zero nesta aproximação. No laboratório, a força também é zero se a velocidade da partícula for , porque as parcelas elétrica e magnética se cancelam.
Exercícios
Duas cargas a dez centímetros
Duas cargas pontuais de e estão separadas por no vazio. Usa em SI. Calcula o módulo da força em e identifica se há atração ou repulsão.
Pista
Converte a distância para metros e as cargas para coulombs.
Solução
. Os sinais opostos dão atração. Ambas as cargas sentem forças de mesmo módulo.
Erros frequentes
Não uses centímetros dentro da constante em SI. O sinal do produto não é um módulo de força negativo.
O sentido da força num eletrão
Um eletrão entra com numa região com e campo uniforme e constante , com e sem outras forças. Indica o sentido da força, a forma da trajetória e se a rapidez aumenta.
Pista
Começa por .
Solução
A força inicial aponta para . A trajetória é circular no plano perpendicular a , enquanto permanecer num campo uniforme. A força é perpendicular à velocidade e não realiza trabalho, pelo que a rapidez é constante no modelo sem outras forças.
Confere a tua resposta:
- Calcula o produto vetorial para −y.
- Inverte o sentido ao multiplicar pela carga negativa.
- Identifica uma trajetória circular e explica por que a rapidez é constante.
Erros frequentes
Não apliques a mão direita diretamente ao eletrão sem considerar o sinal da carga. A direção da força muda ao longo da trajetória.
Polarização em campo uniforme e não uniforme
Uma régua carregada atrai papel neutro sem contacto. Modela uma molécula polarizada por duas cargas e separadas, com a carga de sinal oposto à régua do lado mais próximo.
- A polarização muda a carga total da molécula?
- Haveria força resultante num campo elétrico uniforme?
- Por que pode existir atração no campo da régua?
Pista
Compara os campos nos dois pontos ocupados pelas cargas antes de somar forças.
Solução
A carga total continua : polarizar separa as cargas sem criar carga líquida.
Num campo uniforme, as forças são e . Cancelam-se, embora possa existir torque se o dipolo não estiver alinhado.
No campo não uniforme da régua, o lado próximo sente campo mais intenso. A atração aí tem módulo maior que a repulsão do lado afastado. A resultante aponta para a régua. Neutralidade, por si só, não decide a força.
Confere a tua resposta:
- Distingue carga total nula de separação interna de cargas.
- Explica o cancelamento da força num campo uniforme.
- Relaciona a atração com o campo mais intenso na face próxima.