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Carga eléctrica
Todas as substancias são constituídas por partículas muito pequenas que, de acordo com o actual nível de desenvolvimento da ciência, não podem ser divididas em partículas mais simples. Tais partículas são chamadas partículas elementares.
Todas as partículas elementares tem uma massa e, por isso, interagem com forcas atractivas que variam na razão inversa do quadrado da distancia que as separa, de acordo com a lei de Gravitação Universal.
Por outro lado, a maioria das partículas elementares (nem todas) têm propriedade de exercerem umas sobre as outras forcas também inversamente proporcionais ao quadrado da distancia entre elas.
Quando as partículas interagem com forcas inversamente proporcionais as distancias entre elas e que ultrapassam em grandeza as forcas de gravitação universal, diz-se que estas partículas têm carga eléctrica. As próprias partículas dizem-se partículas carregadas.
Existem partículas sem carga eléctrica, mas não pode existir carga eléctrica sem partícula!
As interacções entre as partículas carregadas denominam-se interacções electromagnéticas.
O electromagnetismo é a parte da Física que estuda processos que são determinados pelo movimento e interacção de partículas com carga eléctrica.
A carga eléctrica (Q ou q) é uma grandeza física que determina a intensidade das interacções electromagnéticas, da mesma forma que a massa (m) determina a intensidade das interacções gravitacionais.
A unidade da carga eléctrica no Sistema Internacional Unidades (S.I) é
[Q] = 1 Coulomb (1C)
Chama-se electrostática a parte do electromagnetismo que estuda processos que envolvem cargas eléctricas estáticas.
Entre partículas eléctricas existem forças gravitacionais de atracção devido às suas massas e forças eléctricas devido às suas cargas eléctricas. Nesse caso, as forças gravitacionais podem ser desprezadas, visto que a massa de uma carga eléctrica é ínfima. A força gravitacional só é perceptível quando há a interacção entre corpo de massas de grandes proporções. Todas as partículas elementares electrizadas possuem diferentes cargas eléctricas em valor absoluto. As partículas elementares são o protão, o electrão, o neutrão e o fotão.
As forcas de interacção electrostática dos corpos carregados de electricidade, obedecem à lei de Coulomb estabelecida por via experimental, razão por que se denominam frequentemente forcas de Coulomb.
A lei de Coulomb: a forca de interacção electrostática entre duas cargas eléctricas pontuais(elementares), em vazio, é directamente proporcional ao produto q1q2 dos seus valores numéricos, e inversamente proporcional ao quadrado da distancia r a que se encontram as cargas, sendo dirigida ao longo da recta que as une.(B.M.Yavorski e A.A.Detlaf, Prontuário de Física, 1984,pag.220)
A força que a carga q1 exerce sobre a carga q2 (de mesmo sinal)na fig. 1.1 é , vetorialmente,
onde é o vetor unitário que define a linha que une as duas cargas e aponta de q1 para q2 . Como a força elétrica é uma força de interação, a 3a Lei de Newton nos diz que a carga q2 exerce sobre q1 uma força igual e contrária, ou seja,
Quantizacao da carga
No século XVIII, a carga elétrica era considerada como um fluido continuo. Entretanto, no início do século XX, Robert MILLIKAN (1868-1953) descobriu que o fluido elétrico não era contínuo e, sim, que a carga eléctrica era constituída por um múltiplo inteiro de uma carga fundamental e, ou seja a carga q de um certo objeto pode ser escrita como
q = ne, com n = 1, 2, 3, ...
tendo e o valor de 1,60 x 10-19 C e sendo uma das constantes fundamentais da naturezas.
Podemos então dizer que a carga eléctrica existe em pacotes discretos ou, em termos modernos, é "quantizada", não podendo assumir qualquer valor. (htt://www.if.ufrgs.br/fis/EMVirtual/cap1/cargas.htm)
Distribuição de Cargas
Consideremos primeiramente o caso em que as cargas estão em repouso e se encontram em posições fixas. Devemos estabelecer, primeiramente, uma distinção entre dois tipos de distribuição de cargas. Devemos tratar, separadamente, os casos de uma distribuição discreta e uma distribuição contínua de cargas.
No caso de uma distribuição de cargas estamos falando de um pequeno número de partículas carregadas. Essa situação pode ser descrita como sendo aquela na qual temos um conjunto de cargas Q1; Q2;...Qn
ocupando as posições caracterizadas pelos vetores de posição r1; r2; ...rn . Essa situação é ilustrada na figura abaixo.
A carga total da distribuição de cargas Q será dada pela soma (ou somatório) das cargas das partículas que compõe a distribuição. Ou seja:
Q=ΣQi
Onde o símbolo Σ representa a soma sôbre os índices das cargas.
O caso de uma distribuição discreta é um pouco diferente. Nesse caso estamos falando de um número muito grande de cargas e, portanto, faz mais sentido caracterizar a distribuição falando em densidade de uma distribuição. Ao falarmos em densidade de uma distribuição estamos especificando quanto de carga existe por unidade de volume (distribuição volumétrica de cargas), ou por unidade de superfície (distribuição superficial de cargas), ou ainda por unidade de comprimento (distribuição linear de cargas). Temos assim três tipos de distribuição de interesse em Física. Cada tipo de distribuição de carga será designada por uma letra grega diferente. Adotaremos a seguinte notação:
ρ(r→)- representa uma distribuição volumétrica de cargas
Observe-se que, e de acordo com a expressão acima, a densidade de cargas pode variar de ponto para ponto no espaço. Por isso indicamos que a distribuição depende do ponto cuja posição é indicada pelo vetor .
σ(r→) - representa uma distribuição superficial (de superfície) de cargas
A densidade superficial de cargas pode variar de ponto para ponto ao longo de uma superfície.. Por isso indicamos que a distribuição superficial depende do ponto cuja posição é caracterizada pelo vetor
λ(r→) - representa uma distribuição linear (de linha) de cargas
Como nos casos anteriores, a densidade superficial de cargas pode variar de ponto para ponto ao longo de uma curva, ou linha .
Dada uma distribuição de cargas, a carga total será dada pela soma da distribuição de cargas sobre o volume (ou superfície) no qual a distribuição está confinada. Sendo a carga total dada por Q. Teremos:
Q=∫∫∫ρ(r→)dV
Onde o símbolo∫∫∫ acima representa a soma sobre o volume da região contento as cargas. É o análogo do somatório no caso discreto da expressão (OOOO) Nos demais casos temos, de maneira análoga, temos para uma distribuição superficial de cargas que a carga total será dada por:
Q=∫∫σ(r→)ds
E no caso de uma distribuição linear, temos a expressão :
Q=∫λ(r →)dl