A capacidade de uma carga criar forças elétricas foi descoberta e estudada pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) no final do século XVIII.

Por volta de 1780, Coulomb criou a balança de torção e com esse instrumento demonstrou experimentalmente que a intensidade da força elétrica é diretamente proporcional ao valor das cargas elétricas que interagem e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

COMO É CALCULADO?

A fórmula criada por Coulomb é utilizada para descrever a intensidade da interação mútua entre duas cargas puntiformes. Essas cargas são corpos eletrizados cujas dimensões são desprezíveis se comparadas com a distância entre elas.
A fórmula matemática, também chamada de Lei de Coulomb, que expressa a intensidade da força elétrica é:

/F/=K0.Q*q/d²
         
No Sistema Internacional de unidades (SI), a intensidade da força elétrica (F) é expressa em newton (N).

Os termos q₁ e q₂ da fórmula correspondem aos valores absolutos das cargas elétricas, cuja unidade no SI é coulomb (C), e a distância que separa as duas cargas (r) é representada em metros (m).

A constante de proporcionalidade (K) depende do meio que as cargas estão inseridas, por exemplo, no vácuo esse termo recebe o nome de constante eletrostática (K₀) e seu valor é 9.10⁹ N.m²/C².

k₀ — constante dielétrica do vácuo (N.m²/C²)

Q — carga elétrica (C)

q — carga elétrica de prova (C)

d — distância entre as cargas (m)

OBS: Equilíbrio é a situação de igualdade entre as forças atuantes no corpo.

Dado: K = 9,0. 10⁹N.m²/C²

a) atração, de 1,6. 10^–1N
b) atração, de 2,5 N
c) repulsão, de 9,0 x 10^–1N
d) repulsão, de 1,6 x 10^–1N
e) repulsão, de 2,5 N

Questão 2 - (UFJF-MG) Duas esferas A e B, eletricamente carregadas com cargas Q_A = -2Q_B e situadas a uma distância d entre si, atraem-se mutuamente. O módulo da força eletrostática que A exerce em B é denotado F_B, e o módulo da força eletrostática que B exerce em A é denotado F_A. Concluímos que:

a) F_A = 4 F_B
b) F_A = 2F_B
c) F_A = F_B
d) F_A = F_B
e) F_A = 1/4F_B

Questão 3 – (UERJ) Duas pequenas esferas metálicas iguais, A e B, se encontram separadas por uma distância d. A esfera A tem carga + 2q e a esfera B tem carga –4q. As duas esferas são colocadas em contato, sendo separadas, a seguir, até a mesma distância d. A relação entre módulos das forças F₁ e F₂ de interação entre as esferas, respectivamente, antes e depois do contato é:

a) |F₁| = 8|F₂|
b) |F₁| = (3/2)|F₂|
c) |F₁| = (2/3)|F₂|
d) |F₁| = 3|F₂|

Outra forma de interpretarmos o fenômeno é a seguinte: ao colocarmos a carga Q (chamada de carga fonte) em um ponto do espaço, esta altera as propriedades do espaço a sua volta. Essa propriedade, que será representada por um vetor para cada ponto do espaço, é camada de Campo Elétrico (E). Desta forma, a carga Q cria um campo elétrico em sua vizinhança e este campo elétrico passa a ser o responsável pelo aparecimento da força elétrica sobre a carga q. Logo, a força elétrica que atua sobre q é devida à ação do campo elétrico, e não mais à ação direta de Q sobre q.

COMO É CALCULADO?

Chamamos de Campo Elétrico de uma carga a região do espaço ao seu redor que é “perturbada” por essa carga.

Dessa forma, um corpo, pelo simples fato de estar eletrizado, passa a afetar o seu arredor, de modo que qualquer carga elétrica colocada nessa região sentirá a presença de um corpo carregado.

Toda carga elétrica gera ao seu redor um campo elétrico, que é, essencialmente, uma região do espaço onde qualquer outra carga que for colocada lá perceberá a existência da outra carga.

Denominamos essa carga que gerou o campo de carga fonte e a que foi colocada no campo de carga prova.

Sabemos, portanto, que, ao colocarmos uma carga q nas proximidades de uma outra carga Q, elas exercerão uma força F entre si. Assim, definimos o campo elétrico E gerado por Q sobre q como sendo:

a) 20 kN/C

b) 0,8 μN/C

c) 0,8 kN/C

d) 20 μN/C

e) 0,8 N/C

Questão 2 – (Mackenzie-SP) Um corpúsculo eletrizado com carga elétrica Q, fixo em um ponto do vácuo, cria a 50 cm dele um campo elétrico tal que, quando colocamos uma carga de prova de 2μC nesse ponto, ele 🤬 sujeita a uma força elétrica de repulsão de intensidade 576×10^–3 N. Determine o valor de Q.

a) 4 μC

b) 6 μC

c) 8 μC

d) 10 μC

e) 12 μC

De mesmo modo, uma carga elétrica, por simplesmente estar nas proximidades de outra carga, armazena uma energia denominada potencial elétrica.

Note que, tal qual na energia potencial gravitacional, a força elétrica entre essas cargas, que pode ser de repulsão ou atração, também pode conferir velocidade às cargas, evidenciando conversão de energia potencial elétrica em energia cinética.

Dessa forma, o princípio da conservação da energia será necessário para resolver diversos exercícios de eletrostática, os quais abordarão cargas elétricas se atraindo ou se repelindo e, com isso, adquirindo velocidade. É necessário, então, igualar a energia potencial elétrica inicial com a soma da potencial elétrica final mais a cinética adquirida.

Essa energia potencial elétrica, entretanto, não é fixa para cada ponto do campo elétrico de uma carga. Ou seja, cargas diferentes postas a mesma distância de uma carga central podem apresentar energias potenciais diferentes.

Isso ocorre porque a energia potencial elétrica de um corpo eletricamente carregado depende do módulo da carga desse corpo. Nesse sentido, define-se uma grandeza escalar associada ao campo elétrico a qual consiste na razão da energia potencial elétrica acumulada por unidade de carga elétrica. Essa grandeza é denominada potencial elétrico (V).

Matematicamente:

V=Ep/q

No Sistema Internacional, a unidade de potencial é o volt (V), em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta.
O termo “potencial” se refere ao fato de que essa grandeza caracteriza um campo elétrico mesmo que não exista uma carga prova nele. Dessa forma, cada ponto desse campo possui “potencial” de conferir energia elétrica a uma carga, bastando que essa seja nele inserida.

Trabalho da Força Elétrica

Você já deve ter visto alguma vez o conceito de trabalho dentro da física. Ao empurrarmos uma caixa, por exemplo, a força que exercemos sobre ela é capaz de acelerá-la e conferir energia cinética a ela. Nesse contexto, dizemos que exercemos trabalho sobre a caixa. 

Do mesmo modo, ao movermos uma carga q de um ponto A para um ponto B, ambos pertencentes a um campo elétrico, o trabalho W exercido pela força elétrica nesse deslocamento é dado por:

W = q . (V_A - V_B)

Nessa equação, V_A e V_B representam os potenciais elétricos, respectivamente, nos pontos A (ponto inicial) e B (ponto final) e a diferença V_A-V_B é comumente chamada de diferença de potencial e é representada pela letra U. Podemos, assim, reescrever a equação do trabalho:

W = q . U

Quando estudamos trabalho da força elétrica, o conceito de superfícies equipotenciais merece destaque. De modo geral, definimos superfície equipotencial como um conjunto de pontos vizinho que apresentam o mesmo potencial elétrico. 

Tome, por exemplo, uma carga puntiforme. Já vimos que o potencial elétrico num ponto qualquer do seu campo depende da constante eletrostática (constante para um mesmo meio), do valor de sua carga (constante para uma mesma partícula) e da distância desse ponto à carga.

Nesse sentido, para cargas puntiformes, as superfícies equipotenciais serão o conjunto de pontos que se encontram a uma mesma distância dessa carga. Matematicamente, essa superfícies consistem em circunferências cujo centro é a própria carga geradora do campo.

r – resistência elétrica

i – corrente elétrica

A 1ª lei de Ohm determina que a diferença de potencial entre dois pontos de um resistor é proporcional à corrente elétrica que é estabelecida nele. Além disso, de acordo com essa lei, a razão entre o potencial elétrico e a corrente elétrica é sempre constante para resistores ôhmicos.

Acerca das informações contidas no texto acima, julgue a validade das afirmações a seguir.

Uma “gaiola de Faraday” é uma blindagem elétrica, ou seja, uma superfície condutora que envolve uma dada região do espaço e que pode, em certas situações, impedir a entrada de perturbações produzidas por campos elétricos e/ou magnéticos externos.

A eficiência da “gaiola de Faraday” depende do comprimento de onda das ondas eletromagnéticas da telefonia celular, pois isso definirá as dimensões da malha utilizada em sua construção.

A segunda proposta citada no texto é a geração de ondas nas mesmas frequências utilizadas pelas operadoras de telefonia móvel. Com isso, através de interferências destrutivas, compromete-se a comunicação entre a ERB (torre celular ou estação de rádio) e o telefone.

Assinale a alternativa CORRETA:

A -  Apenas as afirmações I e II são verdadeiras.
B -  Apenas as afirmações I e III são verdadeiras.
C -  Apenas as afirmações II e III são verdadeiras.

Questão 3 - (FUVEST-SP) Um sistema formado por três cargas puntiformes iguais, colocadas em repouso nos vértices de um triângulo equilátero, tem energia potencial eletrostática igual a U. Substitui-se uma das cargas por outra, na mesma posição, mas com o dobro do valor. A energia potencial eletrostática do novo sistema será igual a:

A -  4U / 3
B -  3U / 2
C -  5U / 3

Quando ligados a uma diferença de potencial, um campo elétrico forma-se entre suas placas, fazendo com que os capacitores acumulem cargas em seus terminais, uma vez que o dielétrico em seu interior dificulta a passagem das cargas elétricas através das placas.

Função dos capacitores

A função mais básica do capacitor é a de armazenar cargas elétricas em seu interior. Durante as descargas, os capacitores podem fornecer grandes quantidades de carga elétrica para um circuito.

Os capacitores levam um pequeno tempo para serem carregados completamente, entretanto, sua descarga geralmente é rápida. Por isso, os capacitores são largamente usados em dispositivos eletrônicos que demandam grandes intensidades de corrente elétrica, como aparelhos de som de alta potência.

Além de sua função mais fundamental, os capacitores podem ser usados para implementar temporizadores, retificadores de corrente elétrica, filtros de linha, estabilizadores etc.


Tipos de capacitores

Os capacitores podem diferir em seu formato bem como em seu dielétrico. O meio que é inserido entre as placas de um capacitor interfere diretamente em sua capacidade de armazenar cargas elétricas. Meios que apresentam altas constantes eletrostáticas, ou seja, altamente resistivos, são os preferidos para a implementação dos capacitores.

Confira alguns tipos de capacitores:

A propriedade que mede a eficiência de um capacitor em armazenar cargas é a capacitância. A capacitância é uma grandeza física medida em unidades de Coulomb por Volt (C/U), mais conhecida como Farad (F), em homenagem ao físico inglês Michael Faraday (1791-1867). Dizemos que 1 Farad é equivalente a 1 Coulomb por Volt. A fórmula utilizada para calcular a capacitância é esta, confira:

C=Q/U

C — capacitância (F)
Q — carga elétrica (C)
U — tensão elétrica (V)

Do ponto de vista prático, a capacitância indica qual é a quantidade de cargas que um capacitor consegue “segurar” para uma determinada diferença de potencial.

A capacitância também depende de fatores geométricos, isto é, da distância entre as placas do capacitor e também da área dessas placas. Por isso, para o caso dos capacitores de placas paralelas, podemos determinar sua capacitância por meio da seguinte equação:

C=ε₀A/d

ε₀ — permissividade dielétrica do vácuo (F/m)
A — área das placas (m²)
d — distância entre as placas (m)

ε₀ — permissividade dielétrica do vácuo (F/m)
A — área das placas (m²)
d — distância entre as placas (m)

b) 88,5 pF

c) 885 pF

d) 0,88 mF

e) 2,44 F

Questão 2 - Certo capacitor é capaz de armazenar até 2 μC de carga elétrica quando conectado a uma diferença de potencial de 1 mV. Determine a capacitância desse capacitor.

a) 2 mF

b) 1 mF

c) 0,5 nF

d) 100 pF

e) 0,1 F

Questão 3 - Determine o módulo da carga elétrica armazenada em um capacitor de 0,5 mF, quando conectado a uma diferença de potencial de 200 V.

a) 1,5 μC

b) 0,2 pC

c) 0,1 μC

d) 10 nC

e) 100 mC

Questão 4 - Determine qual é a tensão que precisa ser estabelecida entre os terminais de um capacitor de 0,2 μF, para que 2 nC de cargas elétricas sejam armazenados entre suas armaduras.

a) 0,2 V

b) 2 μV

c) 200 μV

d) 1 mV

e) 10 mV

É possível que você já tenha ouvido falar dos tasers, armas não letais que disparam eletrodos com velocidades de até 35 km/h. Esses eletrodos são capazes de penetrar até 5 centímetros de profundidade na pele humana, atingindo tecidos com menor resistência elétrica que a epiderme, que pode apresentar resistência elétrica de até 100 000 Ω quando seca . Dessa forma, é comum que as descargas elétricas produzidas pelos tasers cheguem a incríveis 50 000 V.

Apesar de o potencial elétrico da descarga ser alta, os tasers não são letais. Isso pode ser explicado pelo fato de poucas cargas atravessarem o alvo: a corrente elétrica aplicada no disparo dos tasers é extremamente baixa, cerca de 30 mA (0,003 A). Correntes elétricas dessa magnitude não são capazes de matar um ser humano, apenas paralisando temporariamente seus músculos.