5: Cargas elétricas e campos
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Neste capítulo, começamos o estudo da força elétrica, que atua em todos os objetos com uma propriedade chamada carga. A força elétrica é muito mais forte que a gravidade (na maioria dos sistemas em que ambas aparecem), mas pode ser uma força de atração ou uma força de repulsão, o que leva a efeitos muito diferentes nos objetos. A força elétrica ajuda a manter os átomos juntos, por isso é de fundamental importância na matéria. Mas também governa a maioria das interações diárias com as quais lidamos, desde interações químicas até processos biológicos.
- 5.1: Prelúdio sobre cargas e campos elétricos
- Quando estávamos estudando as leis de Newton, identificamos vários fenômenos físicos como forças. Fizemos isso com base no efeito que eles tiveram em um objeto físico: especificamente, eles fizeram com que o objeto acelerasse. Mais tarde, quando estudamos o impulso e o momento, expandimos essa ideia para identificar uma força como qualquer fenômeno físico que alterou o momento de um objeto. Em ambos os casos, o resultado é o mesmo: reconhecemos uma força pelo efeito que ela tem sobre um objeto.
- 5.2: Carga elétrica
- Você certamente está familiarizado com os dispositivos eletrônicos que você ativa com o clique de um botão, de computadores a telefones celulares e televisão. E você certamente já viu eletricidade em um relâmpago durante uma forte tempestade. Mas você provavelmente também experimentou efeitos elétricos de outras maneiras, talvez sem perceber que uma força elétrica estava envolvida. Vamos dar uma olhada em algumas dessas atividades e ver o que podemos aprender com elas sobre cargas e forças elétricas.
- 5.3: Condutores, isoladores e carregamento por indução
- Na seção anterior, dissemos que os cientistas eram capazes de criar carga elétrica somente em materiais não metálicos e nunca em metais. Para entender por que esse é o caso, você precisa entender mais sobre a natureza e a estrutura dos átomos. Nesta seção, discutimos como e por que as cargas elétricas se movem ou não através dos materiais. Uma descrição mais completa é dada em um capítulo posterior.
- 5.4: Lei de Coulomb
- Experimentos com cargas elétricas mostraram que, se dois objetos têm carga elétrica, eles exercem uma força elétrica um sobre o outro. A magnitude da força é linearmente proporcional à carga líquida em cada objeto e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. (Curiosamente, a força não depende da massa dos objetos.) A direção do vetor de força está ao longo da linha imaginária que une os dois objetos e é ditada pelos sinais das cargas.
- 5.5: Campo elétrico
- O campo elétrico, que é independente da carga de teste. Depende apenas da configuração das cargas da fonte e, uma vez encontradas, nos permite calcular a força em qualquer carga de teste.
- 5.6: Calculando campos elétricos de distribuições de carga
- As distribuições de carga que vimos até agora foram discretas: compostas por partículas pontuais individuais. Isso contrasta com uma distribuição contínua de carga, que tem pelo menos uma dimensão diferente de zero. Se uma distribuição de carga for contínua em vez de discreta, podemos generalizar a definição do campo elétrico. Nós simplesmente dividimos a carga em partes infinitesimais e tratamos cada peça como uma carga pontual.
- 5.7: Linhas de campo elétrico
- Nosso modelo é que a carga em um objeto (a carga da fonte) altera o espaço na região ao seu redor de tal forma que, quando outro objeto carregado (a carga de teste) é colocado nessa região do espaço, essa carga de teste experimenta uma força elétrica. O conceito de linhas de campo elétrico e de diagramas de linhas de campo elétrico nos permite visualizar a maneira pela qual o espaço é alterado, permitindo-nos visualizar o campo.
- 5.8: Dipolos elétricos
- Anteriormente, discutimos e calculamos o campo elétrico de um dipolo: duas cargas iguais e opostas que estão “próximas” uma da outra. (Nesse contexto, “próximo” significa que a distância d entre as duas cargas é muito, muito menor do que a distância do ponto de campo P, o local onde você está calculando o campo.) Vamos agora considerar o que acontece com um dipolo quando ele é colocado em um campo externo.
Miniatura: Cada uma das oito cargas da fonte aplica uma força sobre a única carga de teste Q. Cada força pode ser calculada independentemente das outras sete forças. Essa é a essência do princípio da superposição.