Eletricidade Estática — Eletrização, Lei de Coulomb e Exemplos

Eletricidade estática é a carga elétrica que se acumula em um objeto em vez de fluir como uma corrente contínua. Ela explica por que um balão pode grudar na parede, por que as roupas estalam na secadora e por que você pode sentir uma faísca depois de andar sobre um carpete.

Na maioria dos sólidos do dia a dia, o modelo mais útil é que os elétrons se movem de um material para outro. Se um objeto ganha elétrons, ele fica carregado negativamente. Se perde elétrons, fica carregado positivamente.

Como A Eletricidade Estática Se Acumula

Contato E Separação

Muitos exemplos de eletricidade estática começam quando dois materiais entram em contato e depois se separam. Durante esse processo, alguns elétrons podem ser transferidos de uma superfície para a outra. Esfregar pode intensificar o efeito porque aumenta o contato, mas não cria carga do nada.

Condução

Se um objeto carregado toca outro objeto, a carga pode se mover por contato direto. Depois disso, os dois objetos podem compartilhar carga, embora o resultado dependa dos materiais e de se algum deles está aterrado.

Indução

Um objeto carregado próximo também pode reorganizar as cargas dentro de outro objeto sem tocá-lo. Sozinha, a indução geralmente causa separação de cargas, não uma carga líquida permanente. Se houver aterramento nas condições certas, a indução pode deixar o objeto com uma carga líquida.

Lei De Coulomb Para Carga Estática

A eletricidade estática faz parte da eletrostática, que estuda cargas em repouso. A principal lei da força é a lei de Coulomb.

Para duas cargas puntiformes no vácuo,

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

em que $F$ é o módulo da força, $q_1$ e $q_2$ são as cargas, $r$ é a distância de separação, e $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$.

Essa fórmula fornece o valor da força. Os sinais das cargas indicam a direção:

• cargas de mesmo sinal se repelem
• cargas de sinais opostos se atraem

A lei de Coulomb se aplica diretamente quando as cargas podem ser tratadas como cargas puntiformes. Para objetos reais, como um balão ou uma parede, a carga está distribuída sobre uma superfície, então a força exata é mais complicada. Ainda assim, a lei mostra o padrão principal: cargas maiores produzem forças mais intensas, e dobrar a distância faz a força ficar quatro vezes menor.

Exemplo Resolvido: Força Entre Duas Cargas

Suponha que duas pequenas esferas carregadas tenham cargas

• $q_1 = 40\ \mathrm{nC} = 40 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $q_2 = -20\ \mathrm{nC} = -20 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $r = 5.0\ \mathrm{cm} = 0.050\ \mathrm{m}$

Encontre o módulo da força e determine se ela é atrativa ou repulsiva.

Comece com a lei de Coulomb:

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

Substitua os valores:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{|(40 \times 10^{-9})(-20 \times 10^{-9})|}{(0.050)^2}$$

Multiplique as cargas:

$$|q_1 q_2| = 8.0 \times 10^\{-16\}\ \mathrm\{C^2\}$$

Eleve a distância ao quadrado:

$$r^2 = 2.5 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$$

Agora calcule a força:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{8.0 \times 10^{-16}}{2.5 \times 10^{-3}} \approx 2.9 \times 10^{-3}\ \mathrm{N}$$

Portanto, o módulo da força é cerca de $2.9\ \mathrm{mN}$. Como as cargas têm sinais opostos, a força é atrativa.

A principal ideia aqui é o padrão do inverso do quadrado da distância. Se a distância dobrasse enquanto as cargas permanecessem as mesmas, a força passaria a ser um quarto do valor.

Por Que Um Balão Carregado Gruda Na Parede

Quando você esfrega um balão no cabelo ou em um tecido, pode haver transferência de carga para o balão. Se você aproximar esse balão carregado de uma parede, as cargas dentro da parede se deslocam ligeiramente. Essa polarização pode criar uma atração resultante mesmo que a parede, como um todo, permaneça eletricamente neutra.

Esse exemplo mostra por que a eletricidade estática do dia a dia geralmente envolve tanto transferência de carga quanto reorganização de cargas, e não apenas duas cargas puntiformes isoladas.

Erros Comuns Em Eletricidade Estática

• Dizer que esfregar cria carga do nada. Normalmente, isso ajuda a transferir carga entre materiais.
• Esquecer que os elétrons são, em geral, as cargas móveis nos sólidos do dia a dia.
• Usar a lei de Coulomb como se todo objeto real fosse uma carga puntiforme.
• Ignorar as unidades ao converter nanocoulombs ou centímetros para unidades do SI.
• Supor que a indução sempre deixa uma carga líquida permanente. Isso normalmente também exige aterramento.

Onde A Eletricidade Estática É Usada

A eletricidade estática é importante em fotocopiadoras, impressoras a laser, precipitadores eletrostáticos, pintura eletrostática a pó e alguns processos industriais de separação. Ela também é importante no manuseio de eletrônicos, em que uma descarga eletrostática pode danificar componentes sensíveis mesmo quando a faísca é pequena demais para ser percebida.

A umidade também importa. Em ar seco, a carga tende a permanecer nas superfícies por mais tempo, então os efeitos estáticos costumam ser mais fáceis de notar.

Tente Um Problema Parecido Da Lei De Coulomb

Mantenha as mesmas cargas do exemplo resolvido, mas mude a distância de $0.050\ \mathrm{m}$ para $0.10\ \mathrm{m}$. Resolva a nova força antes de usar uma calculadora e depois verifique se o resultado do inverso do quadrado da distância bate com a sua intuição.