Carga Elétrica: eletrização por atrito e o significado de q=n.e

Ao analisar um átomo, observa-se que os prótons situados no núcleo exercem alguma forma de atração sobre os elétrons. Essa atração é o que garante que os elétrons continuem orbitando em torno do núcleo.

Além disso, também é possível observar que, quando dois elétrons em órbita se aproximam um do outro, eles acabam se repelindo. A mesma repulsão também pode ser observada entre os prótons no núcleo, mas não entre os nêutrons - que não se repelem nem se atraem.

Essa análise evidencia que existe alguma propriedade física associada aos prótons e aos elétrons que não está presente nos nêutrons.

Também percebemos que essa propriedade está presente de maneira distinta nos prótons e nos elétrons. Enquanto prótons e elétrons se atraem, um próton não atrai outro próton e um elétron não atrai outro elétron.

Essa propriedade foi denominada carga elétrica e convenciona-se denominar a carga de um próton como sendo positiva, enquanto que a carga de um elétron é negativa.

Note que, uma vez que as cargas elétricas estão associadas com partículas fundamentais na composição da matéria, elas estão presentes em toda forma de matéria.

Com base nessa convenção e nas análises das situações de atração e de repulsão no núcleo, chegamos a um dos mais importantes princípios da Eletrostática: cargas de sinal igual (positivo com positivo ou negativo com negativo) se repelem, enquanto que cargas de sinal contrário (positivo com negativo) se atraem. 

Essa convenção de sinais também nos permite dizer se um determinado corpo está eletrizado positivamente, negativamente ou então está neutro.

De forma geral, dizemos que um corpo está eletricamente neutro quando seu número de prótons é igual ao número de elétrons. De mesmo modo, um corpo está eletrizado positivamente quando possuem mais prótons do que elétrons (excesso de cargas positivas), enquanto que ele está negativamente carregado se possuir mais elétrons do que prótons (excesso de cargas negativas).

Considere, agora, um corpo A que possui 20 prótons a mais do que elétrons e um corpo B que possui 50 prótons a mais do que elétrons. Já sabemos que ambos estão eletrizados positivamente.

Entretanto, também temos a intuição de que B está “mais positivo” do que A. Esse conceito de “mais positivo” está associado com o módulo da carga elétrica. De modo geral, podemos escrever o módulo Q de certa carga elétrica como sendo:

Q=n.e ,n=123...

Nessa equação, n representa a diferença, em módulo, entre o número de prótons e o número de elétrons, enquanto que e representa o módulo da carga elétrica de um único próton ou de um único elétron.

Esse valor é denominado carga elementar e foi determinado pela primeira vez em um famoso experimento, realizado pelo físico norte-americano Robert Millikan, que chegou no valor de:

$$e=1,6.10^{-19}C$$

Resumindo, prótons e elétrons tem cargas elétricas iguais em módulo, mas com sinais opostos. O módulo dessa carga é denominado carga elementar e é a base para o cálculo de todas as outras cargas.

Desse modo, podemos dizer que todo valor de carga elétrica é um múltiplo da carga elementar.

Além disso, note que a equação Q = n.e apenas calcula o módulo da carga. Para determinar se ela será positiva ou negativa, devemos saber se há excesso de prótons (carga positiva) ou de elétrons (carga negativa).

A unidade do sistema internacional (SI) para carga elétrica é o coulomb (C), em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb.

Contudo, uma carga elétrica de 1 coulomb é algo quase impossível, pois esse valor de carga é absurdamente alto. Por isso, é mais comum vermos em exercícios de vestibular submúltiplos do coulomb, como o milicoloumb (mC = 10^-3C), o microcoloumb (µC = 10^-6C) ou o nanocoulomb (nC = 10^-9C).

Dependendo do material no qual se situam, cargas elétricas podem ter maior ou menor facilidade para se mover no interior desse material.

Ao atritar um tubo de vidro com um pedaço de seda, por exemplo, atribuiremos carga elétrica ao vidro (conforme veremos logo à frente). Essas cargas, contudo, permanecerão confinadas, quase que exclusivamente, no local onde ocorreu o atrito, de forma que o resto do tubo permanece eletricamente neutro.

Atritando uma barra de ferro, por outro lado, as cargas elétricas se movem ao longo do material e se distribuem quase que uniformemente ao longo da barra.

Observação: na realidade, a distribuição de cargas ao longo da superfície de um condutor não é uniforme, pois varia conforme a geometria desse condutor. Exemplo disso é o chamado Poder das Pontas, que está associado ao fato de que se tivermos, por exemplo, um condutor quase totalmente esférico, exceto por uma região pontuda, as cargas se concentrarão nessa região. 

Materiais similares ao vidro - como plástico, algodão, água pura e o próprio ar - são denominados isolantes; enquanto que materiais similares ao ferro - como outros metais, grafita e soluções eletrolíticas - são denominados condutores. 

De modo geral, o que determina se um material será condutor ou isolante é se ele apresenta portadores de carga. Enquanto o material condutor possui portadores de carga, o material isolante não.

Portadores de carga são espécies químicas dotadas de carga que apresentam elevada mobilidade. Dependendo de qual portador de carga está presente, os condutores são classificados em três tipos:

Condutores de primeira espécie

São aqueles cujos portadores de carga são elétrons livres - que se encontram relativamente distantes do núcleo e, portanto, são atraídos muito fracamente, podendo se locomover quase que livremente pelo material. Os principais exemplos desse tipo de condutor são os metais e a grafita.

Condutores de segunda espécie

São aqueles cujos portadores de carga são cátions ou ânions, ou seja, um ou mais átomos que acabaram perdendo ou recebendo, respectivamente, elétrons e, portanto, adquiriram uma carga positiva ou negativa. Os principais exemplos são ácidos, bases e sais.

Condutores de terceira espécie

São aqueles que apresentam tanto elétrons livres quanto espécies ionizadas. Os principais representantes dessa espécie são gases ionizados. 

Chamamos de eletrização o conjunto de processos que fazem com que um corpo neutro adquira carga elétrica positiva ou negativa.

Para que isso ocorra, conforme vimos anteriormente, precisamos desequilibrar o número de prótons e elétrons desse corpo, que inicialmente é igual pois ele está neutro.

Teoricamente, poderíamos fazer isso alterando o número de prótons ou o de elétrons. Na prática, entretanto, é muito difícil adicionar ou remover um próton de uma espécie química, pois ele está confinado no núcleo do átomo. Dessa forma, para eletrizar um corpo, deveremos alterar a sua quantidade de elétrons.

Eletrização por atrito

Experimentalmente, observou-se que, ao atritar dois corpos de materiais diferentes, inicialmente neutros, um desses corpos “rouba” elétrons do outro, de modo que um deles ficará positivamente carregado, enquanto o outro ficará negativamente carregado.

Note que, nesse tipo de eletrização, todos os elétrons que um dos corpos “ganhou” foram perdidos pelo outro corpo. Dessa forma, no fim do processo, os corpos apresentarão cargas de mesmo módulo, mas sinais contrários.

Entretanto, como fazemos para saber qual dos corpos ficará com carga positiva e qual ficará com carga negativa?

Num primeiro momento, a única maneira seria por via experimental, ou seja, deveríamos atritar os dois corpos e depois aproximar um deles de uma carga de sinal conhecido. Se for observada repulsão, então o corpo aproximado apresenta o mesmo sinal da carga conhecida, enquanto o outro corpo apresenta sinal contrário.

Contudo, após realizar repetidos experimentos desse tipo, com corpos de materiais diferentes, pode-se montar uma tabela que indica a tendência de um dado material de perder elétrons.

Desse modo, da próxima vez que fossemos atritar dois corpos, bastaria analisar qual deles é feito de um material com maior tendência de perder elétrons e, então, podemos afirmar que esse é o corpo que ficará com carga positiva. Essa tabela recebe o nome série triboelétrica.

Eletrização por contato

Primeiramente, já devemos fazer uma consideração: dois corpos só podem ser eletrizados por contato se ambos forem condutores e um deles já estiver inicialmente carregado.

Note que, no processo de eletrização por atrito, não é feita nenhuma exigência quanto à condutividade dos materiais, que podem ser tanto condutores quanto isolantes, desde que ambos estejam inicialmente neutros. 

A intuição para se compreender o processo de eletrização por contato está baseada no fato de que, ao encostar um condutor no outro, durante esse período em que eles estiverem em contato, eles se comportarão como um único condutor maior.

Além disso, você também deve se lembrar que as cargas elétricas tendem a se distribuir, quase que uniformemente, ao longo da superfície de um condutor, concentrando-se mais nas pontas.

Portanto, ao colocar um condutor carregado em contato com um condutor neutro, as cargas tenderão a se distribuir ao longo da superfície do condutor maior - formado pela união desses dois condutores -, de forma que, após se desfazer o contato e afastar os corpos, ambos estarão eletrizados, com carga de mesmo sinal. 

Vale ressaltar que não existe a exigência de que o segundo condutor esteja inicialmente neutro. As únicas exigências são que todos os corpos devem ser condutores e pelos menos um deve estar inicialmente carregado.

Um problema relativamente comum nos vestibulares é: dada uma configuração inicial de condutores, eles são postos em contato e, então, pede-se a carga de cada condutor após ser desfeito esse contato. Para resolver esse tipo de problema, devemos levar alguns fatos em consideração:

• Nas eletrizações por contato, é válido o princípio da conservação das cargas, o qual afirma que o somatório algébrico (levando em conta o sinal) das cargas antes da eletrização deve ser igual ao somatório depois da eletrização. Esse princípio nos revela que cargas não são perdidas nesse processo, apenas transferidas de um condutor para o outro.
• Após ser desfeito o contato, todos os condutores apresentarão carga de mesmo sinal. 
• Para que esse problema seja resolvível, esses condutores deverão apresentar uma geometria (formato) conveniente, que é o esférico. Para essa geometria, vale uma regra relativamente simples: a carga, após ser desfeito o contato, é proporcional ao raio da esfera. Por exemplo, se um condutor tem raio 1 e outro tem raio 2, o maior deles terá o dobro da carga do menor. 

Com essas ideias, você deverá ser capaz de resolver qualquer exercício de eletrização por contato. Leia, também, os exemplos resolvidos para compreender melhor como aplicar esses princípios numa questão de vestibular.

Por fim, vale destacar um caso particular de eletrização: o contato entre um condutor qualquer e a Terra.

Do ponto de vista da eletrostática, a Terra consiste em um condutor esférico com raio gigantesco, quase infinito quando comparado com qualquer condutor comum.

Nesse sentido, conforme o terceiro princípio - que foi enunciado para a resolução de questões de eletrização por contato - após desfazer o contato de um corpo qualquer, inicialmente carregado, com a Terra, esse corpo passa a ficar eletricamente neutro, pois todas as suas cargas fluem para a Terra, pois ela possui raio muito maior do que o condutor.

Eletrização por indução

Tal qual na eletrização por contato, esse processo de eletrização só ocorre entre condutores.

Mas antes de explicarmos o passo a passo para realizar uma eletrização por indução, devemos compreender em que consiste o fenômeno da indução eletrostática.

Vamos dizer que temos dois condutores: um está carregado positivamente e o outro está neutro. Ao aproximarmos o carregado do neutro, observa-se que os elétrons do condutor neutro se aproximam do lado no qual se situa o corpo carregado, pois eles são atraídos pelas cargas positivas.

Assim, desse lado do condutor temos um acúmulo de cargas negativas, enquanto que do outro lado temos um acúmulo de cargas positivas. Ou seja, o condutor permanece neutro (número de prótons continua igual ao número de elétrons), mas suas cargas ficam polarizadas (positivas de um lado e negativas do outro).

O fenômeno ocorre de maneira análoga a um condutor carregado negativamente. Nesse contexto, o condutor que estava inicialmente carregado é denominado indutor, enquanto que o condutor neutro é denominado induzido.

Com base nesse fenômeno, podemos eletrizar um condutor inicialmente neutro se seguirmos o seguinte passo a passo:

• Passo 1: Aproximar o indutor (já inicialmente carregado) do induzido (condutor inicialmente neutro que desejamos eletrizar). Isso faz com que as cargas do induzido fiquem polarizadas, devido à força elétrica exercida pelas cargas do indutor. 
• Passo 2: Ainda na presença do indutor, devemos ligar o induzido à Terra (aterrar). Conforme visto anteriormente, ao ligar um condutor à Terra, suas cargas fluirão para esta. Contudo, no caso do induzido, algumas de suas cargas estão fortemente atraídas pelo indutor e o contato com a Terra não é capaz de vencer essa atração. Dessa forma, apenas as cargas do induzido que estão do lado oposto ao indutor (aquelas que estão sendo repelidas) é que fluem para a Terra, restando as atraídas.
• Passo 3: Ainda na presença do indutor, devemos desfazer o contato com a Terra. Vale destacar a importância desse passo ser feito na presença do indutor, pois caso se afaste o indutor antes de se desfazer o contato, as cargas que antes estavam sendo atraídas pelo indutor se encontrarão livres de qualquer força elétrica e acabarão fluindo para a Terra. 
• Passo 4: Por fim, afastamos o indutor do induzido.

Ao fim do passo 4, o induzido, que inicialmente estava neutro, apresentará carga elétrica de sinal contrário do indutor. Ou seja, se o indutor for negativamente carregado, ele atrairá as cargas positivas do induzido, que não serão neutralizadas no aterramento, diferente das cargas negativas que serão neutralizadas normalmente.

Dessa forma, após desfazer o contato com a Terra e, em seguida, afastar o indutor, o induzido estará positivamente carregado.

Q=n.e ,n=123...

$$e=1,6.10^{-19}C$$

\(Q_{antes}=Q_{depois}\)  (na eletrização por contato)