Cargas Elétricas

A nova ciência do eletromagnetismo foi cultivada por cientistas de muitos países. Um dos mais ativos foi Michael Faraday, um experimentalista muito competente, com um raro talento para a intuição e a visualização de fenômenos físicos. Um sinal desse talento é o fato de que seus cadernos de anotações de laboratório não contêm uma única equação. Em meados do século XIX, James Clerk Maxwell colocou as ideias de Faraday em forma matemática, introduziu muitas ideias próprias e estabeleceu uma base teórica sólida para o eletromagnetismo.

Nossa discussão do eletromagnetismo se estenderá pelos próximos 16 capítulos. Vamos começar pelos fenômenos elétricos, e o primeiro passo será discutir a natureza das cargas elétricas e das forças elétricas.

Cargas Elétricas

Seguem duas demonstrações que podem parecer passes de mágica, mas vamos tentar explicá-las. Depois de esfregar um bastão de vidro com um pedaço de seda (em um dia de baixa umidade do ar), penduramos o bastão

por um barbante, como na Fig. 21-1a. Esfregamos outro bastão de vidro com o pedaço de seda e o aproximamos do primeiro. O bastão que está pendurado magicamente recua. Podemos ver que foi repelido pelo segundo bastão, mas por quê? Os dois bastões não chegaram a se tocar; o segundo bastão não produziu uma corrente de ar, nem produziu uma onda sonora.

Na segunda demonstração, substituímos o segundo bastão por um bastão de plástico que foi esfregado com um pedaço de lã. Dessa vez, o bastão que está pendurado é atraído pelo segundo bastão, como mostra a

Fig. 21-1b. Como no caso da repulsão, a atração acontece sem que haja contato entre os bastões.

Figura 21-1 (a) Dois bastões de vidro foram esfregados com um pedaço de seda, e um deles foi suspenso por um barbante. Quando aproximamos os dois bastões, eles se repelem. (b) O bastão de plástico foi esfregado com um pedaço de pele. Quando aproximamos os dois bastões, eles se atraem.

No próximo capítulo vamos discutir como o primeiro bastão percebe que o segundo bastão está se aproximando; mas, neste capítulo, vamos nos concentrar nas forças envolvidas. Na primeira demonstração, a força que o segundo bastão exerceu sobre o primeiro foi uma força de repulsão; na segunda demonstração, a força que o segundo bastão exerceu sobre o primeiro foi uma força de atração. Depois de muitas investigações, os cientistas concluíram que as forças observadas nas duas demonstrações se devem à carga elétrica que é transferida para os bastões quando eles são esfregados com seda ou lã. A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas elementares de que são feitos todos os materiais, incluindo o vidro, o plástico, a seda e a lã.

Dois Tipos de Carga. Existem dois tipos de carga elétrica, que o cientista e político americano Benjamin Franklin chamou de carga positiva e carga negativa. Ele podia ter escolhido outros nomes para as cargas, como banana e maçã, mas o uso de sinais algébricos como nomes facilita os cálculos quando somamos as cargas para calcular a carga total. Na grande maioria dos objetos, como uma xícara, por exemplo, existe um número igual de partículas de carga positiva e de carga negativa e, portanto, a carga total é zero. Nesse caso, dizemos que as cargas se compensam e o objeto está eletricamente neutro (ou, simplesmente, neutro).

Excesso de Carga. Normalmente, você está eletricamente neutro. Entretanto, se vive em uma região de clima seco, você sabe que a carga do seu corpo pode ficar ligeiramente descompensada quando você anda em cima de certos tapetes. Ou você recebe carga negativa do tapete (nos pontos de contato entre os sapatos e o tapete) e fica negativamente carregado, ou perde carga negativa e fica positivamente carregado. Nos dois casos, você fica com o que é chamado de excesso de carga. Em geral, você não nota que está com um excesso de carga até aproximar a mão de uma maçaneta ou de outra pessoa. Quando isso acontece, se o seu excesso de carga é relativamente grande, uma centelha elétrica liga você ao outro objeto, eliminando o excesso de carga. Essas centelhas podem ser incômodas ou mesmo dolorosas. O fenômeno não acontece nos climas úmidos porque o vapor d’água presente no ar neutraliza o excesso de carga antes que ele possa atingir níveis elevados,

Dois dos grandes mistérios da física são os seguintes: (1) por que o universo possui partículas com carga elétrica (o que é carga elétrica, na verdade?) e (2) por que existem dois tipos de carga elétrica (e não, digamos, um tipo, ou três tipos). Simplesmente não sabemos. Entretanto, depois de muitos experimentos semelhantes aos que acabamos de descrever, os cientistas concluíram que

Partículas com cargas de mesmo sinal se repelem e partículas com

cargas de sinais opostos se atraem.

Daqui a pouco, vamos expressar essa regra em termos matemáticos pela lei de Coulomb da força eletrostática (ou força elétrica) entre duas cargas. O termo eletrostática é usado para chamar atenção para o fato de que, para que a lei seja válida, a velocidade relativa entre as cargas deve ser nula ou muito pequena.

Demonstrações. Vamos voltar às demonstrações para entender que o movimento do bastão não se dá por um passe de mágica. Quando esfregamos o bastão de vidro com um pedaço de seda, uma pequena quantidade de carga negativa é transferida do vidro para a seda (como acontece com você e o tapete), deixando o bastão com um pequeno excesso de carga positiva. (O sentido do movimento da carga negativa não é óbvio e deve ser determinado experimentalmente.) Esfregamos o pedaço de seda no bastão para aumentar o número de pontos de contato e com isso aumentar a quantidade de carga transferida. Penduramos o bastão em um barbante para mantê-lo eletricamente isolado do ambiente (evitando assim que a carga em excesso seja transferida para outros objetos). Quando esfregamos o pedaço de seda em outro bastão, ele também fica positivamente carregado. Assim, quando o aproximamos do primeiro, os dois bastões se repelem, como

mostra a Fig. 21-2a.

Quando esfregamos o bastão de plástico com um pedaço de lã, uma pequena quantidade de carga negativa é transferida da lã para o plástico. (Mais uma vez, o sentido do movimento da carga negativa não é óbvio e deve ser determinado experimentalmente.) Quando aproximamos o bastão de plástico (com excesso de carga negativa) do bastão de vidro (com

excesso de carga positiva), os dois bastões se atraem, como mostra a Fig.

21-2b. Tudo isso é muito sutil. Não podemos ver a carga sendo transferida; só podemos observar o resultado final.