Eletrostática - Carga elétrica e matéria

O elétron

A palavra eletricidade vem do grego eléktron(ηλεκτρου), que traduzido significa âmbar. O âmbar por sua vez é uma resina fóssil, de origem vegetal, utilizada na fabricação de adornos e utensílios.

Foi Tales de Mileto (séc. VII a.C) que observou que esse material ao ser atritado contra pele de animais, adquiria a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha.

Hoje sabemos que isso é uma propriedade da matéria chamada de carga elétrica, que os responsáveis por essa propriedade são os elétrons e os prótons, e o fenômeno descrito acima e observado por Tales de Mileto é conhecido como eletricidade estática.

Benjamin Franklin (1706-1790) foi o primeiro a se referir a essas cargas como positivas e negativas, ao utilizar dois bastões de borracha e um vidro, que foram atritados contra pedaços de seda, Franklin constatou que os bastões de borracha se repeliam enquanto o de borracha e o de vidro se atraiam, dessa forma concluiu ele que havia cargas diferentes sobre esses materiais. No entanto ao colocar o bastão de borracha junto ao de vidro ele notou que os mesmos perdiam as propriedades de atração e repulsão.

Franklin então supôs que, quando uma certa quantidade de carga era obtida por atrito em um corpo, uma carga igual, porém inversa surgia no outro corpo, de forma que a soma dessas cargas fossem zero.

Experiência realizada por Franklin

Seu raciocínio foi algébrico, porém a escolha foi de maneira aleatória, admitiu que a carga positiva foi adquirida pelo vidro e a negativa pela borracha.  

Esse mistério só foi resolvido em 1897, com a descoberta do elétron, partícula que compõe o átomo. Foi descoberto que, em processos de eletrização, os corpos transferem elétrons uns para os outros. 

Hoje sabemos da existência de duas partículas que compõem o átomo e possuem cargas elétricas: o próton (+) e o elétron (-), na pratica o significado desses sinais é simples, eles produzem efeitos opostos.

Modelo atômico 

Basta um elétron para que ocorra o equilíbrio entre o efeito produzido por um próton, dessa forma atribuímos o mesmo valor, em módulo, para a carga do elétron e do próton, denominada de carga elétrica elementar. Assim, a carga de um próton equivale a do elétron:

|carga próton| = |carga elétron|

Dessa forma podemos concluir que um sistema elétrico possui a mesma quantidade de prótons e elétrons e sua carga total será nula, porém como vimos acima, ao atritarmos certos corpos, pode ocorrer entre eles a troca de cargas, como no exemplo descrito no começo deste texto. Nesse caso, o corpo apresenta uma diferença entre o número de prótons e elétrons, dizemos então que o corpo está eletrizado. 

Nº de prótons = Nº de elétrons, então o é corpo neutro

Nº de prótons > Nº de elétrons, o corpo é eletricamente positivo 

Nº de prótons < Nº de elétrons, o corpo é eletricamente negativo

É importante lembrar que os prótons jamais estarão em movimento na matéria sólida, assim podemos dizer que os portadores de carga que possuem liberdade de movimento são os elétrons.

A unidade de carga elétrica no SI (sistema internacional de unidades) é o coulomb (C), em homenagem a Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), e a carga elétrica elementar foi determinada experimentalmente e tem o valor de 1.6 ∙ 10 ^ -19 C, tanto para o próton quanto para o elétron.

Quantidade de carga em um corpo (Q)

O número de prótons e de elétrons de um corpo é sempre inteiro, não existe meio próton ou meio elétron. Uma vez dito isso é importante lembrar que a quantidade de carga Q deve ser obrigatoriamente, um múltiplo da carga elementar e. Por isso, dizemos que a carga elétrica é quantizada, o que quer dizer que ela não pode assumir qualquer valor, mas somente aqueles que são múltiplos de e. Assim a quantidade de carga Q de um corpo depende basicamente do número n de prótons ou de elétrons em excesso:

Q = +n.e : excesso de prótons

Q = -n.e : excesso de elétrons

No estudo de eletrostática é muito comum o uso de prefixos do SI como:

• m (mili) = 10^ -3
• μ (micro) = 10^ -6
• n (nano) = 10^ -9
• p (pico) = 10^ -12

Prefixos utilizados no SI

Logo abaixo deixarei um exemplo de exercício resolvido para ilustrar melhor o conteúdo abordado nessa postagem.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  (Etapa 2017) Um corpo possui 5 ∙ 10^17 prótons e 3 ∙ 10^17 elétrons. Sendo a carga elementar e = 1,6 ∙ 10^-19 C, determine a quantidade de carga elétrica desse corpo.

Resolução: