Introdução ao campo elétrico
Na física estudamos diferentes forças e suas características: a força de reação normal do apoio, a força de tração em um fio, a força aplicada por uma mola, a força de atrito e o empuxo, por exemplo. Todas essas forças têm em comum o fato de serem, macroscopicamente, forças de contato. Uma força de contato sempre surge quando um corpo entra em contato com outro.
Por outro lado, algumas forças podem surgir sem que haja contato entre os corpos. Essas forças são chamadas forças de campo, e entre elas podemos citar a força gravitacional, a força elétrica e a força magnética.
A ideia de uma força atuando a distância trouxe certa dificuldade para os pensadores antigos. Até mesmo Isaac Newton (1643 – 1727) não se sentia confortável com tal ideia quando publicou sua lei da gravitação universal.
As dificuldades, entretanto, foram superadas com a introdução do conceito de campo. De acordo com essa ideia, criada e desenvolvida pelo cientista inglês Michael Faraday (1791-1867) —, as forças entre cargas elétricas em repouso, ou seja, forças eletrostáticas, são transmitidas por meio de um campo elétrico que se estende por todo o espaço que envolve a carga. Assim, esse campo elétrico passa a ser o “meio” de transmissão da interação entre essas cargas elétricas.
O campo elétrico
A principal característica de uma carga elétrica é sua capacidade de interagir com outras cargas elétricas.
Essa capacidade, que toda carga elétrica possui, está relacionada à presença do campo elétrico que ela cria ao seu redor. Esse campo elétrico é uma propriedade da carga.
O campo elétrico é uma parte real, mas não material, de qualquer carga elétrica, e é impossível desvincular uma carga elétrica de seu próprio campo elétrico. Se a carga elétrica se movimenta, seu campo elétrico acompanha esse movimento.
Na figura abaixo, a força elétrica \(\vec{F}_{\text {el }}\) deve-se à interação do campo elétrico da carga \(Q\) com a carga elétrica \(q\). Da mesma maneira, a força elétrica \(-\vec{F}_{\text {el }}\) deve-se à interação do campo elétrico da carga \(q\) com a carga elétrica \(Q\).
O campo elétrico desempenha o papel de transmissor das interações entre cargas elétricas. Se houver um campo elétrico em determinada região, uma carga elétrica colocada em repouso nessa região ficará sujeita a uma força elétrica.
A carga que usamos para testar a existência do campo elétrico nessa região é denominada carga de prova.
Para definir quantitativamente a grandeza campo elétrico, vamos considerar um ponto \(P\) do espaço, em uma região em que existe campo elétrico.
Colocando no ponto \(P\), sucessivamente, cargas de prova diferentes ( \(q_1, q_2, q_3\), \(\left.\ldots, q_{\mathrm{n}}\right)\), constatamos que em cada carga surgem forças elétricas diferentes \(\left(\vec{F}_1, \vec{F}_2, \vec{F}_3, \ldots, \vec{F}_n\right)\)
Além disso, observamos que todas as forças elétricas \(\vec{F}_1, \vec{F}_{2^{\prime}} \vec{F}_{3^{\prime}}, \ldots, \vec{F}_n\) têm mesma direção e que as forças que agem em cargas de prova \(q\) positivas têm mesmo sentido e as que agem em cargas de prova negativas têm sentido oposto ao das cargas positivas.
Uma verificação, teórica e experimental, mostra que:
$$ \frac{\vec{F}_1}{q_1}=\frac{\vec{F}_2}{q_2}=\frac{\vec{F}_3}{q_3}=\ldots=\frac{\vec{F}_n}{q_n}=\text { constante } $$
Portanto, é constante a razão entre a força elétrica e a respectiva carga de prova colocada nesse ponto do espaço. Essa constante é uma grandeza vetorial denominada vetor campo elétrico, associada ao ponto \(P\) e indicada por \(\vec{E}\).
Assim, a cada ponto do campo elétrico associamos um vetor campo elétrico \(\vec{E}\) dado pela razão entre a força elétrica \(\vec{F}_{\text {el }}\) e a respectiva carga de prova \(q\). Desse modo, temos:
$$ \vec{E}=\frac{\vec{F}_{\text {el }}}{q} \text { ou } \vec{F}_{\text {el }}=q \cdot \vec{E} $$
Nessa relação:
– qé a carga de prova, medida, no SI, em coulomb (C);
– \(\vec{F}_{\mathrm{el}}\) é a força elétrica, com intensidade, medida, no SI, em newton (N);
– \(\vec{E}\) é o vetor campo elétrico, com intensidade, medida, no SI, em N/C.
Há uma similaridade entre a força elétrica \(\left(\vec{F}_{\mathrm{el}}=q \cdot \vec{E}\right)\) e a força gravitacional ou peso de um corpo \((\vec{P}=m \cdot \vec{g})\), ambas forças de campo. Tanto uma como a outra são obtidas pela multiplicação de uma grandeza escalar (a carga elétrica q ou a massa \(m\) de um corpo) por uma grandeza vetorial (o campo elétrico \(\vec{E}\) ou o campo gravitacional \(\vec{g}\) ).
Na equação vetorial \(\vec{F}=q \cdot \vec{E}\), o vetor \(\vec{F}\) é obtido pelo produto de um número real q, que pode ser positivo ou negativo, por um vetor \(\vec{E}\).
$$ \vec{F}_{\mathrm{el}}=q \cdot \vec{E} $$
que, em módulo, pode ser representada da seguinte maneira:
$$ F_{\mathrm{el}}=|q| \cdot E $$
Nessa equação vetorial:
– se \(q>0\) (carga de prova positiva), então \(\vec{F}_{\text {el }}\) e \(\vec{E}\) terão mesma direção e mesmo sentido;
– se \(q<0\) (carga de prova negativa), então \(\vec{F}_{\text {el }}\) e \(\vec{E}\) terão mesma direção e sentidos opostos.
O vetor campo elétrico \(\vec{E}\), associado a um ponto do campo elétrico, é único, não depende da carga de prova \(q\) usada na sua determinação e existe mesmo que não se coloque nenhuma carga de prova naquele ponto.
Conforme veremos adiante, a unidade de medida oficial do campo elétrico no \(\mathrm{SI}\) é o volt/metro \((\mathrm{V} / \mathrm{m})\), que equivale ao newton/coulomb \((\mathrm{N} / \mathrm{C})\).
Todas as características e propriedades que estudaremos a partir de agora são válidas para um campo elétrico estacionário, isto é, em cada ponto o vetor campo elétrico não varia com o tempo (campo eletrostático).
Referências:
Ferraro, Nicolau Gilberto Física, volume único / Nicolau Gilberto Ferraro, Carlos Magno A. Torres, Paulo Cesar M. Penteado. 1. ed. – São Paulo: Moderna, 2012. – (Vereda digital)
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