Campo elétrico: o que é, como calcular, força e potencial elétrico
O campo elétrico desempenha a função de transmissor das interações entre cargas elétricas, podendo ser de afastamento ou de aproximação, de acordo com o sinal da carga que o produziu.
As cargas elétricas puntiformes são corpos eletrizados cujas dimensões são desprezíveis se comparadas às distâncias que as separa de outros corpos eletrizados.
Observamos que na região onde existe um campo elétrico, surgirá uma força sobre uma carga puntiforme de prova que for introduzida em algum ponto deste campo. Esta força poderá ser de repulsão ou de atração.
Fórmula do Campo Elétrico
Quando uma carga puntiforme eletrizada está fixa em um ponto, ao seu redor irá surgir um campo elétrico.
A intensidade deste campo depende do meio onde a carga está inserida e poderá ser encontrada através da seguinte fórmula:
Sendo:
E: intensidade do campo elétrico (N/C).
k0: constante eletrostática no vácuo (9.109 N.m2/C2).
|Q|: módulo da carga (C).
d: distância entre a carga e um ponto do campo.
Vetor Campo Elétrico
Ao campo elétrico associamos uma grandeza vetorial chamada vetor campo elétrico. Como o próprio nome indica, trata-se de uma grandeza vetorial que possui módulo, direção e sentido.
Leia mais sobre: Grandezas Vetoriais.
Sentido do Vetor Campo Elétrico
A força elétrica e o vetor campo elétrico possuem mesma direção. Entretanto, convencionamos que terão mesmo sentido quando a carga de prova for positiva, e sentido contrário quando a carga de prova for negativa.
Na ilustração abaixo, observamos o que acontece com o sentido do vetor do campo elétrico provocado por uma carga Q fixa e positiva quando colocamos uma carga de provas positiva e uma negativa:
Vemos na animação que o sentido do campo elétrico não depende do sinal da carga de prova, apenas do sinal da carga fixa. Assim, o campo gerado por uma carga positiva é de afastamento.
Por sua vez, quando o campo elétrico é gerado por uma carga negativa, temos as seguintes situações indicadas na imagem abaixo:
Observamos que quando a carga fixa que gera o campo é negativa, o sentido do vetor campo elétrico também não depende do sinal da carga de prova.
Sendo assim, uma carga fixa negativa gera um campo, ao seu redor, de aproximação.
Intensidade do Campo Elétrico
O valor da intensidade do campo elétrico pode ser encontrado através da seguinte fórmula:
Onde:
E: campo elétrico
F: força elétrica
q: carga elétrica
No Sistema Internacional de Unidade, a intensidade do campo elétrico é medido em Newton por Coulomb (N/C), a força em Newton (N) e a carga elétrica em Coulomb (C).
Linhas de Força
Podemos representar o campo elétrico através de linhas orientadas segundo o sentido do vetor campo elétrico. Chamadas linhas de força, são tangentes ao vetor campo elétrico em cada ponto.
A intensidade do campo elétrico é maior quanto mais próximas estiverem as linhas de campo e menos intenso nas regiões mais afastadas.
Abaixo, temos a representação das linhas de força de um campo elétrico, formado por duas cargas de mesmo módulo e sinais contrários (dipolos elétricos).
Campo Elétrico Uniforme
Quando em uma região do espaço existe um campo elétrico onde o vetor associado a ele apresenta mesma intensidade, mesma direção e mesmo sentido em todos os pontos, esse campo elétrico é chamado uniforme.
Este tipo de campo é obtido com a aproximação de duas placas condutoras planas e paralelas eletrizadas com cargas de mesmo valor absoluto e sinais contrários.
Na figura abaixo, apresentamos as linhas de campo entre dois condutores eletrizados. Observe que na região das bordas dos condutores, as linhas deixam de ser paralelas e o campo não é uniforme.
Força Elétrica - Lei de Coulomb
Na natureza existem as forças de contato e as forças de campo. As forças de contato só agem quando os corpos se tocam. A força de atrito é um exemplo de força de contato.
A força elétrica, a força gravitacional e a força magnética são forças de campo, pois agem sem a necessidade que os corpos estejam em contato.
A Lei de Coulomb, formulada pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) no final do século XVIII, foca nos estudos sobre a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas:
“A força de ação mútua entre dois corpos carregados tem a direção da linha que une os corpos e sua intensidade é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa”.
A unidade de medida das cargas elétricas, é Coulomb (C), em homenagem ao físico pelas suas contribuições aos estudos da eletricidade. Assim, para calcular a força entre as cargas:
Onde:
F: força (N)
Ke: constante eletrostática (no vácuo seu valor é igual a 9 x 109 Nm2 /C2)
q1 e q2: cargas elétricas (C)
r: distância entre as cargas (m)
A força que surge da interação entre cargas será de atração quando as cargas apresentarem sinais contrários, e de repulsão, quando as tiverem sinais iguais.
Potencial Elétrico
O potencial elétrico, medido em Volts (V), é definido como o trabalho da força elétrica sobre uma carga eletrizada no deslocamento entre dois pontos.
Considerando dois pontos A e B e o valor do potencial no ponto B nulo, então o potencial será dado por:
Onde:
VA: Potencial elétrico no ponto A (V)
TAB: trabalho para deslocar uma carga do ponto A ao ponto B (J)
q: Carga elétrica (C)
Diferença de Potencial em um campo elétrico uniforme
Quando temos um campo elétrico uniforme, podemos encontrar a diferença de potencial entre dois pontos através da fórmula:
Sendo
U: diferença de potencial (V)
VA: potencial no ponto A (V)
VB: potencial no ponto B (V)
E: campo elétrico (N/C ou V/m)
d: distância entre as superfícies equipotenciais, ou seja, superfícies com mesmo potencial (m)
Leia mais sobre o tema:
- Campo Magnético
- Carga Elétrica - Exercícios
- Força elétrica: o que é e como usar a fórmula
- Gaiola de Faraday
Exercícios sobre campo elétrico resolvidos
Exercício 1
(UERJ - 2017) Admita que a distância entre os eletrodos de um campo elétrico é de 20 cm e que a diferença de potencial efetiva aplicada ao circuito é de 6 V. Nesse caso, a intensidade do campo elétrico, em V/m, equivale a:
a) 40
b) 30
c) 20
d) 10
Para calcular o valor da intensidade do campo elétrico, iremos usar a fórmula:
U = E.d
Antes de substituir os valores é necessário transformar a unidade da distância, que está em centímetros, para metro. Assim temos:
d= 20 cm = 0,2 m
Substituindo os valores na fórmula, encontramos:
Alternativa: b) 30
Exercício 2
(UECE - 2015) Imediatamente antes de um relâmpago, uma nuvem tem em seu topo predominância de moléculas com cargas elétricas positivas, enquanto sua base é carregada negativamente. Considere um modelo simplificado que trata cada uma dessas distribuições como planos de carga paralelos e com distribuição uniforme. Sobre o vetor campo elétrico gerado por essas cargas em um ponto entre o topo e a base, é correto afirmar que
a) é vertical e tem sentido de baixo para cima.
b) é vertical e tem sentido de cima para baixo.
c) é horizontal e tem mesmo sentido da corrente de ar predominante no interior da nuvem.
d) é horizontal e tem mesmo sentido no norte magnético da Terra.
Conforme indicado na questão, temos um campo elétrico uniforme, formado por cargas positivas no topo da nuvem e cargas negativas em sua base.
Desta forma, as linhas de força serão verticais e paralelas. O sentido será de cima para baixo, pois o campo gerado pelas cargas positivas é de afastamento, e o das cargas negativas, de aproximação.
Alternativa: b) é vertical e tem sentido de cima para baixo.
ASTH, Rafael. Campo elétrico: o que é, como calcular, força e potencial elétrico. Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/campo-eletrico/. Acesso em:
