O que é a Carga Elétrica?

Frederico B. TeixeiraEletromagnetismoLeave a Comment

Como a Física não definiu rigorosamente o que é a carga elétrica, só nos resta descrevê-la em função das suas características. As mais conhecidas delas são:

  1. A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria;
  2. Provavelmente só existe um tipo de carga elétrica;
  3. Ela é a fonte dos campos eletromagnéticos;
  4. Por sua vez, os campos eletromagnéticos influenciam seu comportamento;
  5. A carga elétrica se conserva;
  6. A carga elétrica é quantizada.

Propriedade Fundamental da Matéria

A carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria, assim como a massa e os números quânticos. Portanto, ela não existe por si só. Contudo, é muito comum nos referirmos à “carga” como sendo uma partícula carregada. Por exemplo, na frase “a soma de todas as cargas existentes será sempre constante”, na verdade, estamos afirmando que a soma das cargas elétricas de todos as partículas que compõem o sistema em questão será constante. É muito importante estar sempre ciente dessa distinção.

Tipo(s) de Carga Elétrica

Em muitos livros didáticos e enciclopédias, encontramos afirmações como: “existem dois tipos de cargas elétricas, uma chamada positiva e outra negativa”. Entretanto, considerando que a carga é apenas uma abstração físico-matemática e que ela aparece apenas de uma maneira nas equações de Maxwell e na lei de força de Lorentz, é muito mais prático modelá-la por uma única variável, a qual pode assumir valores positivos e negativos ou ser igual a zero.

Esse modelo pode ser representado por uma reta numérica unidimensional, como ilustrado na Figura 1. Cargas mais positivas são representadas por pontos mais à direita, enquanto cargas mais negativas são representadas mais à esquerda.

Representação de carga elétrica em linha unidimensional
FIGURA 1: CARGAS REPRESENTADAS POR UMA LINHA UNIDIMENSIONAL

A carga de um elétron, por exemplo, é diferente da carga de um próton, mas a diferença é apenas de quantidade, não de natureza. A carga do elétron é representada por um ponto na linha numérica, enquanto a carga do próton é representada por outro ponto na mesma reta. Assim como a carga do nêutron, que seria o ponto zero.

Para calcularmos a somatória das cargas elétricas de um sistema composto por várias partículas carregadas, consideramos que as cargas positivas cancelam as negativas e vice-versa.

Benjamin Franklin, que definiu arbitrariamente os termos “positivo” e “negativo” para o comportamento da carga, era a favor do modelo de uma componente. A Eletrodinâmica Quântica também parece estar em maior consonância com este modelo do que com aquele de duas componentes.

Fonte de Campos Eletromagnéticos

Toda partícula carregada é fonte de campo elétrico, seja em repouso, seja em movimento. Os campos elétricos são representados por linhas de força. As linhas começam nas cargas positivas e terminam nas negativas. Os campos elétricos de cargas individuais e isoladas são ilustrados como na Figura 2:

Linhas de força de cargas isoladas
FIGURA 2: LINHAS DE FORÇA DE CARGAS ISOLADAS

Quando há mais de uma carga em certa região do espaço, a somatória das linhas de força não resultará em linhas retas, mas em curvas, em resposta às diferentes cargas (Figura 3).

Linhas de força de um dipolo elétrico
FIGURA 3: LINHAS DE FORÇA DE UM DIPOLO ELÉTRICO

Por outro lado, toda carga elétrica em movimento é também fonte de campo magnético. As linhas de força dos campos magnéticos sempre formam contornos circulares fechados. Como exemplo, o campo magnético correspondente a uma corrente elétrica fluindo por um condutor retilíneo é ilustrado na Figura 4.

Campo magnético circular e concêntrico à corrente no fio
FIGURA 4: CAMPO MAGNÉTICO CIRCULAR E CONCÊNTRICO À CORRENTE NO FIO

Cargas sob o Efeito dos Campos Eletromagnéticos

Quanto ao efeito do campo elétrico, o sentido das linhas de força no ponto onde as cargas se encontram no espaço indicará o sentido da força experienciada por elas. Se a partícula for positiva, a força será no mesmo sentido do campo; se ela for negativa, a força será no sentido oposto.

Unindo essas considerações com a lei da ação e reação (o campo elétrico de uma carga influencia as cargas vizinhas e vice-versa), podemos concluir então que cargas de mesma polaridade se repelem, enquanto cargas de polaridade oposta se atraem (Figura 5). O vetor \vec{F_{12}} representa a força gerada pela ação do campo elétrico da carga q_1 sobre a carga  q_2 e vice-versa. Tal como foi concebida, a Figura 5 ajuda a relembrar que as cargas não se atraem ou se repelem diretamente em função de algum tipo de afinidade ou incompatibilidade, mas sim pelo efeito mútuo dos campos elétricos de uma carga sob a outra.

Atração e repulsão de cargas positivas e negativas
FIGURA 5: ATRAÇÃO E REPULSÃO DE CARGAS POSITIVAS E NEGATIVAS

Você encontra mais detalhes sobre as interações eletrostáticas entre cargas pontuais no artigo sobre a lei de Coulomb.

Quanto ao efeito do campo magnético, ele só é sentido pela carga quando existe movimento relativo de um em relação ao outro. Nesse caso, a direção da força é perpendicular tanto ao movimento relativo da carga quanto ao do campo magnético, e o seu sentido é dado pela regra da mão direita.

A Figura 6 mostra como três partículas — próton, nêutron e elétron, por exemplo — seriam defletidas ao se movimentarem através do campo magnético de um imã.

Cargas em movimento sob ação de campo magnético
FIGURA 6: FORÇA QUE DEFLETE CARGA EM MOVIMENTO SOB AÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO

Conservação da Carga Elétrica

A lei da conservação das cargas, de forma análoga à lei de conservação da energia, define que a carga não pode ser criada nem destruída, mas somente transferida. A soma algébrica de todas as cargas elétricas em um sistema fechado não pode mudar.

Quantização e Carga Elementar

De acordo com observações experimentais, as cargas elétricas de quaisquer partículas (não subatômicas) são quantizadas, isto é, elas só aparecem na natureza como múltiplos inteiros da carga de um elétron, a chamada carga elétrica elementar, a qual denotamos normalmente pela letra . No Sistema Internacional de Unidades,

    \[e=-1,602 \times 10^{-19} \ \text{C}\]

sendo \text{C} a sua unidade de medida, o coulomb. A carga do próton tem a mesma magnitude, mas, obviamente, o sinal oposto.

Um coulomb é considerada uma unidade grande para cargas, pois 1 \ \text{C} corresponde a 1/(1,602 \times 10^{-19})=6,24 \times 10^{18} partículas elementares carregadas. Valores realistas ou de laboratório são da ordem de \text{pC}, \text{nC} ou \mu\text{C} (apesar de um grande capacitor de potência poder armazenar até 0,5\text{C} de carga).

A importância das Cargas Elétricas nos Circuitos

As partículas carregadas são onipresentes nos circuitos. Além da tensão, da corrente elétrica, etc., há outro fenômeno muito importante, relacionado às cargas elétricas, que é ignorado por praticamente todos os livros de Física e de Circuitos Elétricos. Esse assunto é tratado em detalhes no artigo “Cargas Superficiais – O Elo Perdido dos Circuitos“. Como o título indica, existe uma eletrostática “escondida” na eletrodinâmica dos circuitos. O artigo explica como as cargas superficiais são coadjuvantes importantíssimas para a geração da corrente elétrica e do fluxo de energia.

Referências

  1. ALEXANDER, C. K; SADIKU, M.N.O. Fundamentos de Circuitos Elétricos. 5ª Ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 896.
  2. Electric Charge. In: WIKIPÉDIA: a enciclopédia livre. Wikimedia, 2015.
  3. BEATY, W. J. “What is Electric Charge?”. In: Science Hobbyst.
  4. ELERT, G. Electric Charge. In: The Physics Hypertextbook.
  5. QUORA. What is Electric Charge?.
  6. DENKER, J. S. One Kind of Charge. In: Av8n.

Pintura da Capa: Noite Estrelada sobre o Ródano, de Vincent van Gogh.

Está gostando dos artigos? Então assine agora nossa Newsletter!

Enviamos somente o essencial: avisos sobre novos artigos e lançamentos de cursos. Escolha entre a lista de emails ou a lista de transmissão no Whatsapp.


Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *