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Você já se perguntou o que mantém a matéria unida? A resposta está na carga elétrica, uma propriedade fundamental que governa as interações entre as partículas. Neste guia completo, vamos explorar a fundo o conceito de carga elétrica, desde sua definição até suas aplicações práticas, preparando você para gabaritar as questões de Física nos vestibulares e no ENEM.
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O Que é Carga Elétrica?
A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas subatômicas, como prótons e elétrons, que determina sua interação com campos eletromagnéticos. Existem dois tipos de carga elétrica:
* Carga positiva: presente nos prótons.
* Carga negativa: presente nos elétrons.
Nêutrons, por sua vez, não possuem carga elétrica.
Unidades de Medida e Quantização
A unidade padrão de carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Coulomb (C). No entanto, é importante destacar a carga elementar (e), a menor quantidade de carga encontrada na natureza, presente em prótons e elétrons. Seu valor é de aproximadamente \(1,6 \times 10^{-19}\)C.
A carga elétrica é quantizada, ou seja, só pode existir em múltiplos inteiros da carga elementar. Essa propriedade é crucial para entender a estabilidade da matéria e as interações eletromagnéticas.
A quantidade de carga elétrica de um corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar.
Cargas de mesmo sinal se repelem, enquanto cargas de sinais opostos se atraem.
Quantidade de Carga: O Que é e Como Calcular?
A quantidade de carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria, presente em todas as partículas subatômicas. Ela determina como as partículas interagem entre si através da força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza.
A quantidade de carga (Q) de um corpo pode ser calculada pela fórmula:
Q = n . e
Onde:
Q: quantidade de carga elétrica (em Coulombs)
n: número de elétrons em excesso ou falta
e: carga elementar (\(1,6 \times 10^{-19}\)C)
A carga de um corpo é dada pela soma de todas as cargas que o compõe, dos elétrons somados aos prótons. Como a carga de um elétron em módulo é igual a de um próton (\(1,6 \times 10^{-19}\)C), concluímos o seguinte:
Corpo neutro: quando um corpo possui o mesmo número de elétrons e de prótons (Ne = Np), sua carga é zero; e, portanto, dizemos que o corpo é neutro, sem carga.
Corpo negativamente carregado: quando um corpo possui mais elétrons do que prótons (Ne > Np), sua carga será negativa; e, portanto, dizemos que é corpo é negativamente carregado.
Corpo positivamente carregado: quando um corpo possui mais prótons do que elétrons, (Ne < Np). Sua carga será positiva; e, portanto, dizemos que o corpo é positivamente carregado.
Exemplos Práticos
Exemplo 1: Um corpo possui um excesso de \(10^{12}\) elétrons. Qual a sua carga elétrica?
Q = (10^12) * \(1,6 \times 10^{-19}\)C
Q = \(-1,6 \times 10^{-7}\)C
O sinal negativo indica que o corpo está carregado negativamente, devido ao excesso de elétrons.
Exemplo 2: Um corpo perdeu \(5 \times 10^{10}\) elétrons. Qual a sua carga elétrica?
Q = \(5 \times 10^{10}\) * \(1,6 \times 10^{-19}\) C
Q = \(8 \times 10^{-9}\) C
O sinal positivo indica que o corpo está carregado positivamente, devido à falta de elétrons.
O princípio de atração e repulsão
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| Ilustração do princípio de atração e repulsão - Créditos da Imagem Eunice Toyota |
Essas cargas podem interagir entre si de duas formas:
Atração: Cargas de sinais opostos se atraem. Ou seja, uma carga positiva atrai uma carga negativa. Isso acontece porque as cargas de sinais opostos se "conectam" devido à interação da força elétrica. É o que vemos quando, por exemplo, aproximamos uma esfera carregada positivamente de uma esfera carregada negativamente.
Repulsão: Cargas do mesmo sinal se repelem. Isso significa que duas cargas positivas ou duas cargas negativas vão se afastar. Isso acontece porque as cargas do mesmo tipo geram um "campo elétrico" que empurra as outras para longe. Isso pode ser observado, por exemplo, quando aproximamos duas esferas com a mesma carga (duas positivas ou duas negativas), e elas se afastam.
Aplicações Práticas e Relevância para o ENEM
A carga elétrica é fundamental para entender diversos fenômenos e tecnologias presentes no nosso dia a dia, como:
* Eletricidade e magnetismo: motores elétricos, geradores, transformadores.
* Ligações químicas: interações entre átomos e moléculas.
* Dispositivos eletrônicos: smartphones, computadores, televisores.
* Fenômenos naturais: raios, auroras boreais.
No ENEM, questões sobre carga elétrica podem abordar desde conceitos básicos até aplicações em circuitos elétricos e eletromagnetismo.
Dicas para Dominar o Assunto
* Compreenda os conceitos básicos: domine a definição de carga elétrica, suas unidades de medida e a quantização.
* Resolva exercícios: pratique com questões de vestibulares e ENEM para fixar o conteúdo.
* Conecte com o cotidiano: busque exemplos de aplicações da carga elétrica no seu dia a dia.
Exercícios
Questão 1 - (FGV) Deseja-se eletrizar um objeto metálico, inicialmente neutro, pelos processos de eletrização conhecidos, e obter uma quantidade de carga negativa de 3,2 μC. Sabendo-se que a carga elementar vale \(1,6 \times 10^{-19}\)C, para se conseguir a eletrização desejada, será preciso:
a) retirar do objeto 20 trilhões de prótons.
b) retirar do objeto 20 trilhões de elétrons.
c) acrescentar ao objeto 20 trilhões de elétrons.
d) acrescentar ao objeto cerca de 51 trilhões de elétrons.
e) retirar do objeto cerca de 51 trilhões de prótons.
Resposta:
Vamos resolver essa questão de forma detalhada. O enunciado pede para determinar quantos elétrons (ou prótons) precisam ser retirados ou acrescentados ao objeto para atingir uma carga negativa de 3,2 μC (microcoulombs).
Passo 1: Definir os dados
- Carga desejada (Q): 3,2 μC = \( 3,2 \times 10^{-6} \, C \)
- Carga elementar (e): \( 1,6 \times 10^{-19} \, C \)
- A carga de um elétron é igual à carga elementar, mas com sinal negativo, ou seja, \( e = -1,6 \times 10^{-19} \, C \).
Passo 2: Determinar a quantidade de elétrons necessária
Para encontrar a quantidade de elétrons, precisamos calcular o número de elétrons que, ao serem acrescentados ao objeto, resultam na carga de 3,2 μC.
Sabemos que a carga total \( Q \) é dada pela soma das cargas dos elétrons:
Q= n.e
Rearranjando a fórmula para encontrar n:
n = Q \ e
Substituindo os valores:
n = \(3,2 \times 10^{-6}\) * \(1,6 \times 10^{-19}\) = \(2 \times 10^{13}\)
Passo 3: Interpretar o resultado
O número de elétrons que precisamos "adicionar" ao objeto para que ele tenha uma carga de 3,2 μC é \( 2 \times 10^{13} \), ou seja, 20 trilhões de elétrons.
Resposta correta:
A alternativa correta é: C ) acrescentar ao objeto 20 trilhões de elétrons.
Questão 2 - Analise as alternativas abaixo:
1) Se um corpo está neutro, isso significa dizer que a quantidade de prótons é igual à quantidade de elétrons.
2) A unidade de medida da carga elétrica é Newton.
3) A carga elementar ou carga do elétron tem valor de 1,6⋅10−19 C, negativo para prótons e positivo para elétrons, por convenção.
Está(ão) correta(s)
a) apenas I e II.
b) apenas II.
c) apenas III.
d) apenas I.
Resolução:
Vamos analisar cada uma das alternativas de forma detalhada.
Afirmação 1:
"Se um corpo está neutro, isso significa dizer que a quantidade de prótons é igual à quantidade de elétrons."
Verdadeiro. Quando um corpo está neutro, significa que a carga total é zero. Isso ocorre quando a quantidade de carga positiva (prótons) é igual à quantidade de carga negativa (elétrons). Em outras palavras, o número de prótons é igual ao número de elétrons.
Afirmação 2:
"A unidade de medida da carga elétrica é Newton."
Falso. A unidade de medida da carga elétrica no Sistema Internacional é o Coulomb (C), não o Newton. O Newton é a unidade de medida de força, não de carga elétrica.
Afirmação 3:
"A carga elementar ou carga do elétron tem valor de \(1,6 \times 10^{-19}\), negativo para prótons e positivo para elétrons, por convenção."
Falso. A carga elementar tem valor de \(1,6 \times 10^{-19}\), mas a carga do próton é positiva, e a carga do elétron é negativa. Portanto, a parte da frase que diz "negativo para prótons e positivo para elétrons" está incorreta. O correto seria dizer "negativo para elétrons e positivo para prótons."
Conclusão:
A única afirmação correta é a afirmação 1.
A alternativa correta é: d) apenas I.
Questão 3 - Dizer que a carga elétrica só pode existir como múltipla de uma quantidade mínima significa dizer que a:
a) carga elétrica perdeu elétrons
b) carga elétrica ganhou elétrons.
c) carga elétrica sofreu um processo de eletrização.
d) carga elétrica é conservada.
e) carga elétrica é quantizada.
Resposta:
A frase "a carga elétrica só pode existir como múltipla de uma quantidade mínima" significa que a carga elétrica é quantizada. Isso se refere ao fato de que a carga elétrica só pode ter valores que sejam múltiplos inteiros da carga elementar (a carga de um elétron ou próton, que é \(1,6 \times 10^{-19}\)C).
Ou seja, a carga elétrica não pode assumir valores fracionários; ela sempre será um múltiplo inteiro dessa carga mínima.
Portanto, a alternativa correta é: e) carga elétrica é quantizada.
Autor: Nilson Silva de Andrade
Professor Mestre em Ensino de Física e Licenciado em Física
