Eletrostática é a parte da área da eletricidade que estuda as cargas elétricas sem movimento, ou seja, em estado de repouso.
A maioria dos materiais é eletricamente neutro: não apresenta efeitos elétricos. Mas, há meios de “carregar” eletricamente um corpo, ou seja, torná-lo eletrizado. Vivemos diariamente com várias ocorrências que comprovam a existência da eletricidade estática: em dias secos, nosso corpo pode ficar carregado eletricamente ao caminharmos sobre um tapete. Em dias assim, também é comum nosso cabelo ficar eletrizado ao nos pentearmos.
O que é carga elétrica?
O modelo atômico que hoje conhecemos nos explica a origem de toda a eletricidade. As partículas elementares estáveis do átomo são os prótons, os elétrons e os nêutrons. Prótons e elétrons possuem cargas opostas, convencionou-se atribuir ao próton carga elétrica positiva e ao elétron carga elétrica negativa. Já a carga do nêutron é nula.
No SI, a unidade de quantidade de carga elétrica é o coulomb (C). O próton e o elétron possuem a mesma quantidade de carga elétrica em módulo, e esse valor, simbolizado por e, é denominado quantidade carga elementar (e = 1,6. 10-19 C).
O valor de e foi obtido experimentalmente pela primeira vez por Harvey de Fletcher, no início do século XX, por meio de uma montagem rústica. Em seguida, seu orientador, Robert A. Millikan, aprimorou a montagem de Fletcher e obteve valores mais precisos para a carga elétrica elementar.
A carga elétrica do próton (positiva) é representada por +e. Para o elétron utilizamos –e. Como 1 C é uma quantidade de carga elétrica muito grande, é comum a utilização dos seus submúltiplos:
- 1 mC (milicoulomb) = 10-3 C;
- 1 uC (microcoulomb) = 10-6 C;
- 1 nC (nanocoulomb) = 10-9 C.
A quantidade de carga elétrica total (Q) será sempre um número inteiro (n) vezes o valor da carga elementar (e): Q = ne.
Quando o número de prótons em um átomo ou em uma molécula qualquer é igual ao número de elétrons, o átomo ou a molécula são eletricamente neutros. Se o número de prótons for diferente do número de elétrons, teremos um ion (átomo ou molécula eletrizados).
Generalizando, dizemos que um corpo está eletrizado quando o número total de prótons (np) é diferente do número total de elétrons (ne).
Quando:
- np = ne – eletricamente neutro;
- Np > ne – corpo eletrizado positivamente, cedeu elétrons;
- Np < ne – corpo eletrizado positivamente, recebeu elétrons.
Condutores e isolantes
Para que um material seja condutor de energia elétrica, é necessário que ele possua portadores de carga elétrica (elétrons, íons positivos ou íons negativos) e mobilidade para os portadores de carga elétrica.
Os principais condutores (e os respectivos portadores de carga) são:
- Os metais (elétrons livres);
- As soluções eletrolíticas (íons);
- Os gases ionizados (íons e elétrons).
Em um material isolante, os elétrons estão fortemente ligados a átomos, e não podem se mover livremente. O vidro, a madeira seca e o ar são exemplos de materiais isolantes.
Numa situação intermediária entre os condutores e os isolantes, existem os materiais semicondutores. Um exemplo importante de semicondutor é o silício, que “dopado” com porções infinitesimais de fósforo conduz eletricidade.
Temos ainda os materiais supercondutores, que abaixo de determinadas temperaturas (chamadas temperaturas críticas) permitem que os elétrons se movam sem nenhum impedimento.
Processos de eletrização
Os processos de eletrização acarretam uma transferência de elétrons entre corpos.
Antes de iniciarmos o estudo dos processos de eletrização, devemos saber que corpos eletrizados com cargas elétricas de mesmo sinal se repelem. Se forem eletrizados com cargas elétricas de sinais opostos, eles se atraem.
1) Eletrização por atrito
Ao atritar vigorosamente dois corpos, A e B, estamos fornecendo energia para que haja transferência de elétrons de um para o outro. Quando os corpos atritados estão isolados, ou seja, não estão sofrendo a influência de outros corpos, as cargas elétricas cedidas por um são exatamente aquelas adquiridas pelo outro.
Em outras palavras, A e B adquirem quantidades de carga elétrica iguais em módulo, mas de sinais contrários.
Aparentemente a eletrização por atrito é um processo sempre possível. Todavia há duas condições que precisam ser observadas:
- Corpos devem ser de materiais diferentes: ou seja, eles não podem ter a mesma tendência de ganhar ou de perder elétrons. Sendo assim, quando esfregamos as mãos, não eletrizamos nenhuma delas;
- Pelo menos um dos corpos deve ser isolante: se atritarmos dois condutores, eles não vão manter a eletrização.
Em Química, essa tendência de ganhar ou perder elétrons é traduzida por uma grandeza denominada eletroafinidade. Os materiais podem ser classificados de acordo com essa tendência, elaborando-se, assim, as chamadas séries triboelétricas.
Ao atritarmos dois materiais quaisquer de uma série triboelétrica ocorre o seguinte: aquele que estiver posicionado à esquerda ficará eletrizado positivamente; o que estiver à direita ficará eletrizado negativamente.
2) Eletrização por contato
A eficiência dessa forma de eletrização depende de os corpos serem condutores ou isolantes. Se um deles for isolante, a eletrização será local, isto é, vai restringir-se aos pontos de contato. Quando, porém, dois corpos condutores, um eletrizado e o outro neutro, são colocados em contato, podemos imaginá-los como um único corpo eletrizado.
Generalizando, podemos afirmar que, na eletrização por contato:
- Os corpos ficam eletricamente neutros ou com cargas de mesmo sinal;
- Quando o sistema é formado por corpos isolados de influências externas, a quantidade de carga elétrica total final, de acordo com o princípio da conservação de energia, é igual à quantidade de carga elétrica total inicial;
- Se os corpos são diferentes, a divisão de cargas se dá de acordo com a capacidade eletrostática de cada corpo.
Podemos afirmar que qualquer corpo comum eletrizado torna-se neutro quando colocado em contato com o solo terrestre. Isso ocorre porque a capacidade eletrostática do corpo é desprezível quando comparada à da Terra.
3) Eletrização por indução
Nesse tipo de eletrização, não há contato entre os corpos. Primeiramente precisamos de um corpo eletrizado (A), denominado indutor, que tanto pode ser condutor como isolante, já que não terá contato com o outro. O segundo corpo (B) a ser eletrizado, denominado induzido, deve ser condutor, podendo ser, inclusive, uma solução eletrolítica ou, ainda, dois corpos ligados eletricamente.
O indutor (A), eletrizado positivamente, atrai as cargas elétricas negativas do induzido (B). Assim, na face do induzido mais próxima do indutor, temos acúmulo de cargas negativas, que não chegam até o indutor porque o ar entre eles é isolante. Por outro lado, a face do induzido mais afastada do indutor fica positiva.
A essa altura, podemos nos perguntar se o corpo B está eletrizado. Ele não está, pois o número de prótons no corpo continua igual ao número de elétrons. Dizemos, então, que o corpo B está induzido, porque houve apenas ura separação das cargas. Quando retiramos o indutor, as cargas no induzido se reagrupam.
Lei de Coulomb
Consideremos dois corpos eletrizados (com cargas Q1 e Q2) e separados por uma distância r. Como os corpos estão eletrizados, há uma interação elétrica (força F) entre eles. A intensidade de F diminui à medida que aumentarmos a distância de separação r.
A direção de F é a direção da reta que une os corpos.
Com relação ao sentido de F, temos:
- Se os corpos forem eletrizados com cargas elétricas de mesma natureza (mesmo sinal), a força elétrica será de repulsão;
- Se forem eletrizados com cargas elétricas de sinais contrários, a força elétrica será de atração.
Coube ao físico francês Charles Augustin de Coulomb estabelecer a lei matemática que possibilita o cálculo da intensidade elétrica entre dois corpos eletrizados.
Nessa expressão:
- F: representa a intensidade da força elétrica;
- K: é uma constante que depende do meio em que estão imersos os corpos;
- Q1 e Q2: são os módulos das quantidades de carga elétrica dos corpos;
- r: é a distância de separação entre os aqui considerados como cargas puntiformes.
No SI, temos: F em newtons (N); Q e Q em coulombs (C); r em metros (m); e k em N.m²/C².
Para o vácuo, a constante k vale: k0 = 9.109 N.m2/C2.
