Eletrostática
A eletrostática é o ramo da física preocupado com o estudo de cargas elétricas em estado de repouso.
Antiguidade Clássica
No século VI a.C., o filósofo pré-socrático Tales de Mileto observou a curiosa propriedade do âmbar (em grego: elektron) de atrair pequenos objetos após ser atritado em peles de animais, mas a origem do fenômeno permaneceu incerta. Hoje, esse fenômeno é conhecido como um exemplo de eletrização por atrito, detalhado abaixo. Além disso, um outro fenômeno capturou a imaginação do pensador Teofrasto: o mineral conhecido como lingúrio, quando aquecido, adquiria a capacidade de atrair pequenos objetos como pedaços de madeira. Hoje, é acreditado que esse mineral era alguma forma de âmbar ou turmalina. Atualmente, a curiosidade encontrada por Teofrasto é conhecida pela ciência como um exemplo da piroeletricidade, do grego pýros, "fogo".
Idade Moderna
A palavra "eletricidade" foi utilizada pela primeira vez por Thomas Browne em 1646, baseando-se no termo neolatino electricus ("de âmbar") cunhado pelo também físico inglês William Gilbert. Gilbert também foi o primeiro a utilizar o termo "força elétrica", descrevendo o fenômeno da eletricidade estática em termos de um "miasma" que fluía entre os âmbares se atritados. Entretanto, ele não percebeu que esse "miasma" — em realidade a carga elétrica — era comum a todos os objetos. O alemão Otto von Guericke, no século XVII, inventou o primeiro dispositivo gerador de eletricidade estática. Esse era constituído de uma esfera composta de enxofre que o pesquisador podia girar manualmente a partir de uma manivela. Essa esfera, por sua vez, atritava no objeto posicionado sob ela.
Átomos que possuem um número igual de elétrons e prótons são considerados eletricamente neutros. Quando um átomo perde elétrons, torna-se um íon positivo (cátion), quando recebe elétrons torna-se um íon negativo (ânion). A carga elétrica quantizada tem como a menor carga a de um elétron ou de um próton. A unidade de carga no Sistema Internacional é o coulomb (C) e equivale a aproximadamente 6 , 24 × 10 18 {\displaystyle 6{,}24\times 10^{18}} vezes a carga elementar. Materiais condutores, como os metais, em função dos elétrons livres de sua última camada eletrônica são capazes de interagir eletricamente e possuem tendência ao equilíbrio eletrostático. A transferência de carga por indução é facilitada em condutores. Os isolantes possuem forte energia de ligação com seus elétrons, o que dificulta a transferência. A forma mais eficiente de eletrizar um isolante é através do atrito. Segundo o princípio da conservação da carga elétrica, num sistema eletricamente isolado é constante a soma algébrica das cargas elétricas.
Fórmulas
Para se medir a quantidade de carga de um corpo, usa-se: Q = n × e {\displaystyle Q=n\times e}
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Após seus estudos experimentais em 1785, Charles Augustin de Coulomb formulou sua lei, posteriormente conhecida por Lei de Coulomb, que descreve o fenômeno da força entre cargas elétricas. A magnitude da força eletrostática atrativa ou repulsiva entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A força entre elas é atrativa se as cargas possuem sinais opostos e repulsiva se possuem mesmo sinal. Além disso, a força elétrica é exercida na direção da distância entre essas duas cargas pontuais. Dessa forma, sejam q 1 {\displaystyle q_{1}} e q 2 {\displaystyle q_{2}} cargas pontuais, r → 12 {\displaystyle {\vec {r}}_{12}} o vetor posição de q 2 {\displaystyle q_{2}} em relação a q 1 {\displaystyle q_{1}} e seja ainda r 12 {\displaystyle r_{12}} o seu módulo. F → 12 {\displaystyle {\vec {F}}_{12}} , a força exercida por q 1 {\displaystyle q_{1}} em q 2 {\displaystyle q_{2}} , é expressa por: F → 12 = k q 1 q 2 r 12 2 r ^ 12 {\displaystyle {\vec {F}}_{12}=k{\dfrac {q_{1}q_{2}}{r_{12}^{2}}}{\hat {r}}_{12}} O fator k {\displaystyle k} é uma constante de proporcionalidade, a constante de Coulomb, valendo no vácuo aproximadamente 9 ⋅ 10 9 N ⋅ m 2 ⋅ C − 2 {\displaystyle 9\cdot 10^{9}{\text{N}}\cdot {\text{m}}^{2}\cdot {\text{C}}^{-2}} .
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Campo coulombiano
O campo elétrico é um campo vetorial, existente em todo o espaço sempre que há no mínimo uma carga elétrica presente, e foi historicamente definido por: E → = F → q {\displaystyle {\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}} Em que q {\displaystyle q} é uma carga de prova que se põe naquele ponto. Sendo assim, se houver apenas uma carga Q {\displaystyle Q} gerando um campo elétrico no vácuo, esse campo valerá: E → = 1 4 π ε 0 Q r 2 r ^ {\displaystyle {\vec {E}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {Q}{r^{2}}}{\hat {r}}} Em que r → {\displaystyle {\vec {r}}} é o vetor posição, tomando como origem do sistema de coordenadas a carga Q {\displaystyle Q} e r {\displaystyle r} é o módulo desse vetor.
Lei de Gauss
A Lei de Gauss é uma equação que dá o fluxo (física) de um campo elétrico para qualquer corpo carregado: Seja S {\displaystyle S} uma superfície fechada qualquer do espaço e seja Q int {\displaystyle Q_{\text{int}}} a carga total contida no interior de S {\displaystyle S} , tomando d S → = n ^ d S {\displaystyle d{\vec {S}}={\hat {n}}dS} em que n ^ {\displaystyle {\hat {n}}} é um vetor unitário sempre perpendicular à superfície d S {\displaystyle dS} : Φ = ∯ S E → d S → = Q int ε 0 {\displaystyle \Phi =\oiint _{S}{\vec {E}}d{\vec {S}}={\frac {Q_{\text{int}}}{\varepsilon _{0}}}} O que nos permite voltar para a forma coulombiana do campo, tomando uma carga pontual Q {\displaystyle Q} e seja S {\displaystyle S} a esfera de raio r {\displaystyle r} ao redor desse ponto - na qual sabemos que o campo é igual em todos os pontos - teremos que:
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A energia eletrostática é a energia fornecida por uma distribuição de cargas elétricas estáticas. Nessa distribuição, o trabalho necessário para mover uma determinada carga de lugar ou adicionar outra é devido à energia eletrostática armazenada à configuração. A energia eletrostática também é conhecida como a energia potencial de um sistema, e não deve ser confundida com o potencial elétrico associado à distribuição de carga. Para evitar confusão, o nome energia potencial deve ser cuidadosamente empregado em eletrostática.
Cálculo
U = 1 4 π ϵ 0 q 1 q 2 r 12 {\displaystyle U={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r_{12}}}} , onde ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} é a constante de permissividade elétrica do vácuo, e r 12 {\displaystyle r_{12}} é a distância entre as cargas. A energia total de uma configuração de n {\displaystyle n} cargas, pelo princípio da superposição, é a soma das interações mútuas de cada par de cargas elétricas: U = 1 4 π ϵ 0 ∑ i = 1 n ∑ j > 1 n q i q j r i j {\displaystyle U={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j>1}^{n}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}} O potencial elétrico V {\displaystyle V} é definido como a energia potencial por unidade de carga:
Eletricidade estática é um desequilíbrio de cargas elétricas dentro ou na superfície de um material. O acúmulo de cargas permanece até que possa se mover por meio de uma corrente ou descarga elétrica.
Causas
Os corpos são eletricamente neutros porque têm o mesmo número de cargas positivas (prótons) e cargas negativas (elétrons). O fenômeno da eletricidade estática requer uma separação sustentada dessas cargas por algum suporte isolante. Tal pode ocorrer por meio do atrito entre materiais.[carece de fontes?]
Denominamos eletrização como o processo, ou o efeito, de acrescentar ou retirar elétrons de um corpo neutro, tornando-o eletrizado, isto é, com uma quantidade assimétrica de prótons e elétrons. Consideramos um corpo "eletricamente neutro" quando este possui quantidades iguais de prótons e neutros. No estudo da eletrostática, não se considera o movimento de prótons, pois sua remoção do núcleo atômico requer enormes quantidades de energia, em reações nucleares.
Eletrização por atrito
O processo de eletrização por atrito é o mais simples, sendo executado por meio do efeito triboelétrico. Este processo cria uma diferença de potencial pela troca de elétrons entre dois corpos atritados: um dos corpos perderá elétrons para o outro. Dessa forma, ambos terão a mesma carga em módulo, mas de sinais opostos.
Eletrização por contato
Caso um condutor carregado sofra contato com um condutor neutro, a carga em excesso do corpo carregado redistribui-se entre os dois condutores. No final do processo, ambos os corpos terão cargas de mesmo sinal.
Eletrização por indução
É o processo em que um corpo eletrizado, que chamamos de indutor, e outro corpo, inicialmente neutro, que chamamos de induzido, tem o posicionamento de suas cargas elétricas alterado. Depois dessa alteração, o corpo induzido é aterrado. Ao ser isolado novamente e ter o indutor afastado, o corpo se torna eletrizado.
