Carga elétrica
Carga elétrica 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, sendo transportada por partículas subatômicas. Na matéria comum, a carga positiva é transportada por prótons e as cargas negativas são transportadas por elétrons. Cargas semelhantes se repelem, enquanto cargas opostas são atraídas. Um corpo que está carregado eletricamente, possui uma pequena quantidade de carga desequilibrada ou carga líquida, ou seja, se houver mais elétrons do que prótons em um corpo, ele estará carregado com carga negativa; se houver menos elétrons no corpo, ele terá uma carga positiva. Quando há 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.
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A eletricidade foi um dos fenômenos que mais ocupou os físicos durante o século XVIII. Porém, as primeiras observações sobre a eletrificação, se deu pelos filósofos gregos, como Tales de Mileto, durante a antiguidade. No ano 600 a.C. já sabiam que ao esfregar uma peça de âmbar com um pedaço de lã ou pele, era possível atrair pedaços de palha. William Gilbert, médico da rainha Elizabeth I, foi o primeiro a distinguir os fenômenos elétricos e magnéticos, em 1600. Com isso, ele mostrou que o efeito elétrico não é uma propriedade exclusiva do âmbar, mas que outras substâncias podem ser carregadas eletricamente ao serem esfregadas, como o plástico e o diamante. Em 1729, Stephen Gray observou que era possível transferir elétrons de um bastão de vidro para uma bola de marfim, mas apenas se ela não estivesse ligada a um fio metálico. A partir dessa observação, John Theophilus Desaguliers, que repetiu muitos dos experimentos de Gray, classificou as substâncias como condutoras e isolantes.
Quantização da carga
A carga elétrica do corpo (Q) é igual ao produto da carga elementar (e) pelo número de elétrons em falta ou excesso (n): Nas colisões entre partículas a altas energias são produzidas muitas outras novas partículas, diferentes dos elétrons, prótons e nêutrons. Todas as partículas observadas têm sempre uma carga que é um múltiplo inteiro da carga elementar e = 1.602 × 10 − 19 C {\displaystyle 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 de carga
A carga elétrica é uma propriedade conservada. A carga líquida de um sistema isolado, a quantidade de carga positiva menos a quantidade de carga negativa, não pode mudar. Nos casos dos fenômenos em que existe transferência de elétrons entre os átomos, a conservação de carga é evidente, mas nos casos de criação de novas partículas não teria que ser assim, de fato em todos os processos observados nos raios cósmicos, e nos aceleradores de partículas, existe sempre conservação da carga, ou seja, sempre que uma nova partícula é criada, é também criada uma outra partícula com carga simétrica.
Processos de eletrização
Existem três processos para a eletrização de um corpo. Tem-se a eletrização por contato ocorre quando colocamos um material condutor carregado eletricamente em contato com um condutor neutro e, assim, o corpo que estava neutro passa a conter a mesma carga que o material que estava carregado. Além disso, tem-se a eletrização por atrito, que ocorre a partir da fricção de dois corpos. À medida que um corpo perde elétrons, este vai apresentando uma predominância de cargas positivas, equivalente à quantidade de cargas negativas perdida. Enquanto isso, o outro corpo que está recebendo esses elétrons ficará carregado com cargas negativas por estarem em excesso.
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As forças elétricas provocadas entre objetos carregados foram medidas quantitativamente por Charles Coulomb a partir de uma balança de torção, da qual ele mesmo inventou. Com isso, a força elétrica existente entres duas esferas carregadas A e B, faz com que essas esferas tanto se atraiam ou se repilam. O movimento resultante faz com que a fibra suspensa se torça e, o torque resultante da fibra torcida é proporcional ao ângulo pelo qual ele gira. Dessa forma, uma medição desse ângulo de giro proporciona uma medida quantitativa da força elétrica de atração ou de repulsão entre as duas esferas. A partir dessas medidas, Coulomb propôs a lei que 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". F = k | q 1 | | q 2 | K r 2 {\displaystyle {\displaystyle F={\frac {k|q_{1}||q_{2}|}{K\;r^{2}}}}}
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. 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 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: Está capacidade atrativa ou repulsiva foi descoberta pelo físico Charles Du Fay e nomeada Lei Qualitativa que Rege as Ações Elétricas. 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.
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 que atua sobre outras partículas com carga. Se colocarmos uma partícula com carga q 0 {\displaystyle q_{0}} num ponto onde existe um campo elétrico, o resultado será uma força elétrica F → {\displaystyle {\vec {F}}} ; o campo elétrico E → {\displaystyle {\vec {E}}} define-se como a força por unidade de carga: E → = F → q 0 {\displaystyle {\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. De forma inversa, se soubermos que num ponto existe um campo elétrico E → {\displaystyle {\vec {E}}} , podemos calcular facilmente a força elétrica que atua sobre uma partícula com carga q {\displaystyle q} , colocada nesse sítio: a força será F → = q E → {\displaystyle {\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).
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.
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A corrente elétrica é o fluxo de carga através de um objeto que não produz perda ou ganho líquido de carga elétrica. O movimento de qualquer partícula carregada, como o elétron, constitui uma corrente elétrica. Assim, por convenção, o sentido da corrente elétrica é definido pelo fluxo de carga positiva, independente do sinal das partículas carregadas que estão em movimento. Dessa forma, quando abordamos a corrente em condutores comuns, como o cobre, da qual se tem o movimento de elétrons (partículas carregadas negativamente), o sentido dessa corrente terá sentido oposto à essas partículas. Por outro lado, no caso de um feixe de partículas carregadas positivamente em um acelerador de partículas, a corrente terá o sentido do movimento dos prótons. Além disso, em casos que envolvem gases e eletrólitos, a corrente é o resultado do fluxo de cargas negativas e positivas.
