Força elétrica

A força elétrica é a força que surge quando há duas cargas elétricas interagindo com os campos elétricos umas das outras. Calculamos sua intensidade usando a lei de Coulomb.

Sua direção se dá de acordo com a linha imaginária que une as cargas, e seu sentido varia de acordo com os sinais das cargas elétricas. Assim, quando $q\geq0$, o sentido entre as forças é atrativo. Mas quando $q<0$, o sentido entre as forças é repulsivo.

A lei de Coulomb, além de usada no cálculo da força, interliga essa força eletrostática com a distância ao quadrado entre as cargas e o meio em que estão inseridas. O trabalho da força elétrica pode ser encontrado pela quantidade de energia que a carga elétrica precisa para se locomover de um local a outro, independentemente do percurso escolhido. 

Leia também: Como funciona a movimentação de cargas elétricas?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre força elétrica
• 2 - O que é e qual a origem da força elétrica?
• 3 - Lei de Coulomb
  • → Videoaula sobre a lei de Coulomb
• 4 - Trabalho da força elétrica
• 5 - Força elétrica e campo elétrico
  • → Videoaula sobre campo elétrico
• 6 - Exercícios resolvidos sobre força elétrica

Carga elétrica

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Trabalho da Força Elétrica

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Resumo sobre força elétrica

• A força elétrica trata da interação entre as cargas elétricas.

• A direção da força elétrica é a mesma da reta imaginária que conecta as cargas elétricas, possui sentido atrativo ou repulsivo dependendo dos sinais das cargas, e sua intensidade é calculada pela lei de Coulomb.

• A lei de Coulomb associa a intensidade da força elétrica com a distância entre duas cargas elétricas.

• Cargas elétricas de sinais iguais se atraem. Já cargas de sinais contrários se repelem.

• O trabalho pode ser calculado pelo “esforço” que uma carga elétrica faz para se deslocar de um ponto a outro.

O que é e qual a origem da força elétrica?

A força eletrostática, comumentemente chamada de força elétrica, faz parte das quatro interações fundamentais do universo, junto das forças nuclear forte, nuclear fraca e gravitacional. Ela aparece sempre que há um campo elétrico com carga elétrica em seu interior.

A orientação da força elétrica é a seguinte:

• Direção: paralela à reta imaginária que liga as cargas elétricas.

• Sentido: atrativo se as cargas tiverem mesmo sinal ou repulsivo se as cargas tiverem sinais opostos.

• Intensidade: calculada pela lei de Coulomb.

Lei de Coulomb

A lei de Coulomb é o princípio físico responsável pela associação entre a força eletrostática e a distância entre duas cargas elétricas imersas no mesmo meio. Foi desenvolvida por Charles-Augustin de Coulomb (1736‒1806) em 1785.

Há uma relação de proporcionalidade entre a força e as cargas, mas a força é inversamente proporcional ao quadrado da distância, ou seja, se dobrarmos a distância, a força diminui $\frac{1}{4}$ do seu valor original.

$\vec{F}\propto\left|Q_1\right|\ e\left|Q_2\right|$

$\vec{F}\propto\frac{1}{d^2}$

Vale ressaltar a importância que o sinal das cargas elétricas tem para determinar o sentido da força atuando entre elas, sendo atrativo para cargas de sinais contrários e repulsivo quando as cargas possuem sinais iguais.

A fórmula da lei de Coulomb é representada por:

$\vec{F}=k\frac{\left|Q_1\right|\ \bullet\left|Q_2\right|}{d^2}$

• $\vec{F}$ é a força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton [N].

• $\left|Q_1\right|$ e $\left|Q_2\right|$ são os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb $[C]$.

• d é a distância entre as cargas, medida em metros [m].

• k é a constante eletrostática do meio, medida em ${\left(N\bullet m\right)^2/C}^2$.

Observação: A constante eletrostática muda de acordo com o meio em que as cargas estão.

→ Videoaula sobre a lei de Coulomb

Trabalho da força elétrica

O trabalho é a aplicação de uma força por um deslocamento, sendo irrelevante qual caminho foi percorrido, desde que partam do mesmo ponto em direção ao mesmo lugar.

Em vista disso, o trabalho da força elétrica depende da força aplicada sobre uma carga elétrica para atravessar a distância do ponto 1 ao ponto 2, conforme a imagem.

Calculamos o trabalho por meio da fórmula:

$W=\vec{F}\bullet d\bullet\cos{\theta}$

• W é o trabalho, medido em joules $[J]$.

• d é a distância deslocada, medida em metros $[m]$.

• θ é o ângulo entre $\vec{F}e\ d,$, medido em graus.

Leia também: Eletrostática — área da Física destinada ao estudo das cargas em repouso

Força elétrica e campo elétrico

O campo elétrico ocorre nas redondezas de uma carga elétrica ou de uma superfície eletrizada, sendo uma propriedade intrínseca às cargas. A força elétrica surge quando há interação entre campos elétricos de no mínimo duas cargas elétricas, conforme demonstra a imagem.

No que toca a orientação do campo elétrico com relação à força elétrica:

• Direção: a mesma da força elétrica, ou seja, paralela à linha que une as cargas elétricas.

• Sentido: o mesmo da força se $q\geq0$, mas oposto ao da força se $q<0$.

• Intensidade: calculada pela fórmula do campo elétrico ou pela fórmula que relaciona força elétrica e campo elétrico, descrita abaixo:

$\vec{F}=\left|q\right|\bullet\vec{E}$

• q é a carga elétrica, medida em coulomb $[C]$.

• $\vec{E}$ é o campo elétrico, medido em $[N/C]$.

→ Videoaula sobre campo elétrico

Exercícios resolvidos sobre força elétrica

Questão 1

(Mack-SP) Uma carga elétrica puntiforme com $q=4,0\ \mu C$, que é colocada em um ponto P do vácuo, fica sujeita a uma força elétrica de intensidade $1,2\ N$. O campo elétrico nesse ponto P tem intensidade:

a) $3,0\bullet{10}^5\ N/C$

b) $2,4\bullet{10}^5\ N/C$

c) $1,2\bullet{10}^5\ N/C$

d) $4,0\bullet{10}^{-6}\ N/C$

e) $4,8\bullet{10}^{-6}\ N/C$

Resolução:

Alternativa A

Como no enunciado o valor da força é fornecido e se pede o campo, podemos utilizar a forma que relaciona ambos:

$\vec{F}=\left|q\right|\bullet\vec{E}$

$1,2=\left|4,0\ \mu\right|\bullet\vec{E}$

Lembrando que $\mu={10}^{-6}$, temos:

$1,2=4,0\bullet{10}^{-6}\bullet\vec{E}$

$\frac{1,2}{4,0\bullet{10}^{-6}}=\vec{E}$

$0,3\bullet{10}^6=\vec{E}$

$3\bullet{10}^{-1}\bullet{10}^6=\vec{E}$

$3\bullet{10}^{-1+6}=\vec{E}$

$3\bullet{10}^5N/C=\vec{E}$

Questão 2

Há uma carga elétrica de $2,4\bullet{10}^{-4}\ C$ em um campo elétrico de $6\bullet{10}^4\ N/C$ que se desloca 50 cm paralelamente ao eixo do campo. Qual é o trabalho que a carga realiza?

a) $W=-7,2\ J$

b) $W=14,4\bullet{10}^{-2}\ J$

c) $W=7,2\bullet{10}^{-2}\ J$

d) $W=14,4\ J$

e) $W=7,2\ J$

Resolução:

Alternativa E

Usando a fórmula que relaciona o trabalho e a força elétrica:

$W=\vec{F}\bullet d\bullet\cos{\theta}$

Como não foi dada a força elétrica, podemos fazer o cálculo usando o campo elétrico e a carga. Lembrando que como a carga é positiva, sua força e campo estão no mesmo sentido, então o ângulo entre a força e a distância deslocada é de 0°:

$W=\left|q\right|\bullet\vec{E}\bullet d\bullet\cos{\theta}$

$W=\left|2,4\bullet{10}^{-4}\right|\bullet\left(6\bullet{10}^4\right)\bullet0,5\bullet\cos0°$

$W=14,4\bullet{10}^{-4+4}\bullet0,5\bullet1$

$W=14,4\bullet0,5$

$W=7,2\ J$

Por Pâmella Raphaella Melo
Professora de Física