Carga elétrica

Carga elétrica é uma propriedade da matéria, assim como a massa. A carga elétrica macroscópica de um corpo surge em razão da diferença entre o número de prótons e elétrons, nesse caso dizemos que o corpo encontra-se carregado ou eletrizado.

Por outro lado, quando a quantidade de elétrons e prótons for a mesma, dizemos que o corpo está neutro. Portanto, mesmo quando neutros, os corpos ainda apresentam cargas elétricas, entretanto, essas estão balanceadas.

A carga elétrica tem origem em partículas subatômicas: os prótons apresentam o menor valor de carga positiva, enquanto os elétrons apresentam o menor valor de carga negativa. Os nêutrons, por sua vez, são partículas eletricamente neutras.

Veja também: Conceitos básicos da Eletrostática

Tópicos deste artigo

• 1 - Tipos de carga elétrica
• 2 - Mapa Mental: Carga Elétrica
• 3 - Unidade de carga elétrica
• 4 - Quantização
• 5 - Como calcular
• 6 - Como saber a carga elétrica de um átomo
• 7 - Exercícios resolvidos

Tipos de carga elétrica

Existem dois tipos de carga elétrica, as positivas e as negativas. Ambas são definidas exclusivamente por sinais algébricos, por convenção atribui-se à carga do elétron o sinal negativo e à carga do próton o sinal positivo.

Esses sinais, entretanto, são meramente arbitrários. Por exemplo: não haveria qualquer problema se, em algum momento, a carga dos elétrons passasse a ser descrita com o sinal positivo e a carga dos prótons tornasse-se negativa. O importante é que essas duas cargas atraem-se quando seu sinal é diferente, do contrário, elas tendem a repelir-se.

Mapa Mental: Carga Elétrica

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Unidade de carga elétrica

A unidade de medida de carga elétrica é o Coulomb (C), como uma forma de homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), responsável pela determinação da lei matemática que descreve a força de atração e repulsão entre cargas. Entretanto, a grandeza Coulomb não está listada como uma das grandezas fundamentais do sistema internacional de unidades.

De fato, ela se trata de uma grandeza derivada do Ampére e é utilizada para medidas de corrente elétrica. O Coulomb de carga elétrica é equivalente à quantidade de carga que é transportada por uma corrente elétrica de 1 ampere, durante o intervalo de tempo de 1 segundo. Portanto, dizemos que 1,0 C é equivalente a 1,0 A.

Quantização

A carga elétrica é quantizada, isto é, o módulo de carga de um corpo é determinado por um múltiplo inteiro de uma quantidade de carga: a carga fundamental. A carga fundamental (e) é o menor valor de carga elétrica que existe na natureza, trata-se da carga que pode ser encontrada nos prótons e elétrons, seu módulo é de, aproximadamente, 1,6.10^-19 C.

Como calcular

Com base no módulo da carga fundamental, é possível descobrir qual é a quantidade de elétrons em falta ou em excesso para que um corpo apresente certa carga elétrica, observe:

Q — carga elétrica total (C)

n — número de elétrons em falta ou em excesso

e — carga elétrica fundamental (1,6.10^-19 C)

Usando a quantização das cargas elétricas, representada pela fórmula anterior, podemos calcular qual deve ser a quantidade de elétrons, em falta ou em excesso, necessária para produzir uma carga elétrica total de 1,0 C em um corpo:

O último resultado mostra que, para que um corpo fique carregado com 1,0 C, é necessário que sejam removidos 6,25.10¹⁸ elétrons de seus átomos. Logo, é fácil perceber que 1,0 C de carga elétrica trata-se de uma enorme quantidade dessa carga.

Devido às forças de atração e repulsão entre cargas elétricas, é natural que todos os corpos busquem o estado de eletrização de menor energia possível, ou seja, a maioria dos corpos que estão ao nosso redor está eletricamente neutra. Para que um corpo fique eletricamente carregado, é necessário que ele receba ou doe elétrons para as suas vizinhanças.

Além disso, não é possível eletrizar um corpo arrancando-lhe ou fornecendo-lhe prótons, uma vez que essas partículas são cerca de 1840 vezes mais massivas que os elétrons, além de encontrarem-se fortemente ligadas a outros prótons, no núcleo atômico. Portanto, para que um corpo receba ou doa elétrons, é necessário que ele sofra, pelo menos, algum dos três processos de eletrização: atrito, contato ou indução.

Veja também: O que é campo elétrico?

Como saber a carga elétrica de um átomo

Os átomos encontram-se geralmente neutros, e por isso a sua carga elétrica total é nula. No entanto, se os átomos forem ionizados, e tiverem seus elétrons arrancados, passarão a apresentar carga elétrica positiva, devido à sua carência de elétrons ou ao excesso de prótons.

Átomos carregados positivamente são chamados de cátions, enquanto os átomos que recebem elétrons, e tornam-se negativos, são chamados de ânions. Podemos determinar a carga elétrica do núcleo atômico ou da eletrosfera por meio do seu número atômico Z.

No exemplo a seguir, calculamos a carga elétrica de um núcleo de hélio (partícula α, Z = 2), que apresenta dois prótons e dois nêutrons:

Exercícios resolvidos

Questão 1) Durante um processo de eletrização, um corpo recebe uma quantidade de 2,0.10¹⁵ elétrons, tornando-se eletricamente carregado, com carga elétrica de:

a) 3,2.10^-4 C

b) 1,6.10^-18 C

c) 3,2.10^-5 C

d) 0,32.10^-5 C

e) 320.10^-1 C

Gabarito: Letra A

Resolução:

Vamos usar a fórmula da quantização da carga elétrica, observe:

Após substituir os valores fornecidos pelo enunciado na fórmula, encontramos que a carga elétrica do corpo após a eletrização será de 3,2.10^-4 C. Logo, a alternativa correta é a letra A.

Questão 2) Um corpo apresenta 1,2.10³ elétrons a menos que prótons. Determine o sinal e o módulo da carga elétrica desse corpo.

a) Negativa, 0,92.10^-13 C

b) Positiva, 1,92.10^-13 C

c) Negativa, 1,92.10^-16 C

d) Positiva, 1,92.10^-16 C

e) Negativa, 1,6.10^-14 C

Gabarito: Letra D

Resolução:

Para calcularmos a carga elétrica desse corpo, basta levarmos em conta a diferença entre o número de prótons e elétrons, observe:

Como explicado no enunciado, o corpo tem mais prótons que elétrons, por isso, sua carga será positiva.

Questão 3) Determine qual é a quantidade de elétrons que precisam ser retirados de um corpo para que sua carga elétrica seja de 6,4 C.

a) 4,0.10¹⁵ elétrons

b) 4,0.10¹⁹ elétrons

c) 2,5.10¹⁸ elétrons

d) 3,5.10²¹ elétrons

e) 1,6.10¹² elétrons

Gabarito: Letra B

Resolução:

O exercício pede que encontremos o número de elétrons, logo, faremos o seguinte cálculo:

Com base na resolução do exercício, descobrimos que é necessário que se remova 4,0.10¹⁹ elétrons de um corpo, para que sua carga elétrica seja de 6,4 C.

Fontes

BRITANNICA. Eletric charge. Disponível em: https://www.britannica.com/science/electric-charge.

USP. Carga elétrica. Disponível em: http://efisica2.if.usp.br/pluginfile.php/7550/mod_resource/content/1/2-%20Carga%20el%C3%A9trica.pdf.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física