Força elétrica e campo elétrico - Lei de Coulomb

Eletricidade. É difícil imaginar a vida sem ela. Do chuveiro ao computador, é necessário que aqueles invisíveis elétrons estejam correndo pelas fiações para que nossa vida diária possa manter os confortos e praticidades com os quais nos acostumamos.

Essa forma de energia obedece a algumas leis bem simples que lhes permitem aplicações versáteis, as quais vão do girar motores pesados a projetar na tela de seu computador o texto que você está lendo agora.

Antes de falar das leis e suas equações, vamos dar uma olhada em alguns conceitos. Sabemos que os elétrons têm carga negativa e os prótons têm carga positiva. Sabemos também que, quando próximos, corpos carregados com cargas opostas se atraem, enquanto os carregados com cargas iguais se repelem.

Carga elétrica

Tudo bem, mas o que é exatamente carga elétrica? Bem, para falar a verdade, ninguém sabe... Carga elétrica se inclui entre o que chamamos em ciência de conceitos primitivos, entidades que podemos observar e cujas propriedades e comportamento podemos mensurar, mas não temos como defini-las exatamente. Uma das propriedades que podemos observar e mensurar nas cargas elétricas é a formação de campos elétricos.

Campos elétricos

Campos elétricos se comportam de modo análogo aos campos gravitacionais e magnéticos, uma vez que campos elétricos (assim como os outros campos citados) interagem entre si quando colocados próximos uns dos outros, produzindo forças.

Estas forças são as que produzem a atração entre um corpo carregado com carga positiva e outro com carga negativa, da mesma forma que a repulsão, se ambos forem negativos ou positivos.

Uma forma esquemática de compreender os campos elétricos é representá-las através de linhas de força. A figura abaixo mostra as linhas de força que formam os campos elétricos em torno de uma carga positiva e outra negativa:

Também podemos usar as linhas de força para esquematizar as interações entre dois campos elétricos, conforme a figura que segue:

Um tipo particular de campo elétrico, muito utilizado para simulações, experimentos ou em exercícios de física é o campo elétrico uniforme, esquematizado na figura a seguir:

Como mostra a figura, o que caracteriza o campo elétrico uniforme são suas linhas de força, que se comportam como paralelas igualmente espaçadas. Isso ocorre quando duas placas paralelas e uniformemente carregadas com cargas de sinais opostos são posicionadas a uma distância próxima uma da outra.

A lei de Coulomb

O campo elétrico uniforme apresenta esta igualdade em suas linhas de força, implicando que o campo se mantém igual entre as placas e, por consequência, uma carga elétrica posicionada entre elas estará sujeita a uma força cuja intensidade e sentido são constantes ao longo do campo. Vistos os conceitos, vamos à lei de Coulomb. Como quase sempre nestes casos, esta lei leva o nome de seu propositor, o cientista francês Charles Coulomb.

Coulomb descobriu que a força elétrica que atua sobre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional às suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância.

Se você se lembrou da definição de Newton para a força da gravidade acertou em cheio. Como dissemos, campos elétricos e gravitacionais são análogos.

Portanto, o enunciado da Lei de Coulomb pode ser escrito assim:

Onde:
F = força (medida em Newtons [N]);
q = carga elétrica (medida em Coulombs [C])
r = distância (medida de metros [m])
k= constante eletrostática (medida em N.m²/C²)

A próxima figura representa como estas grandezas se relacionam:

A constante eletrostática varia conforme o meio em que estão imersas as cargas. No vácuo, k = 9.10⁹ N.m²/C².

E foi assim que a era da eletricidade começou. Sabendo que existem cargas elétricas e como se comportam mecanicamente, aprendemos como controlar a movimentação dessas cargas e aproveitar a sua energia.