Lei de Coulomb
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No século 18, era bem sabido que uma partícula carregada eletricamente exercia uma força sobre qualquer outra partícula carregada. O problema era que ninguém sabia o quão forte era a força ou quais fatores afetavam sua força. Isto é, até que um cientista muito brilhante de nome Charles Coulomb conduziu vários experimentos que o levaram a propor o que hoje é conhecido como lei de Coulomb .
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Como discutiremos nesta lição, ele descobriu que a força entre as partículas carregadas era dependente de apenas dois fatores: a distância entre as partículas e a quantidade de carga elétrica que elas carregavam. Não vamos nos preocupar em memorizar a equação, mas vamos nos concentrar em entender o que a equação nos diz sobre as relações entre força, distância e carga.
O efeito da carga de partículas
A força entre as partículas carregadas está diretamente relacionada à quantidade de carga transportada por cada partícula. Além de elétrons e prótons, a maioria das partículas carregadas carrega uma quantidade variável de carga. Pense em esfregar um balão no cabelo. O balão vai pegar cargas negativas de seu cabelo e começar a agir como uma grande partícula carregada. A quantidade de carga no balão dependerá de quanto tempo você esfrega no cabelo. Agora, se você repetir esse experimento com um segundo balão, os dois tentarão se repelir, e a força dessa força de repulsão dependerá de quanta carga cada balão pegou de seu cabelo.
Voltando à equação de Coulomb, podemos ver que as quantidades de carga transportadas por cada balão são representadas pelos termos q1 e q2 . Para permitir que nos concentremos na relação entre a força e as cargas, vamos retirar as outras partes da equação. O que esta parte da equação nos diz é que a força está diretamente relacionada ao produto das duas cargas. Em outras palavras, se o produto das cargas aumentar, a força também aumentará. Para realmente entender o que isso significa, vamos tentar alguns exemplos.
Começaremos com quantidades iguais de carga em cada balão, o que resulta em uma força de repulsão entre eles. Se dobrarmos a quantidade de carga em um dos balões, o produto das cargas também dobrará e, por sua vez, a força dobrará. A seguir, vamos dobrar a quantidade de carga no outro balão e ver o que acontece. O produto agora é quatro vezes maior do que antes, o que significa que a força também será quatro vezes maior.
Para demonstrar por que é o produto das cobranças que é importante, em oposição às cobranças individuais, vamos voltar ao início. Desta vez, vamos dobrar a carga em um balão, mas cortar a carga pela metade no outro balão. Quando fazemos as contas, podemos ver que o produto permanece o mesmo, o que significa que a força permanecerá inalterada. É por isso que nunca é seguro presumir que só porque a carga de uma partícula muda, a força também muda.
O efeito da distância entre as cargas
A força entre as partículas carregadas depende muito da distância entre elas, ainda mais do que das cargas das partículas que acabamos de discutir. Na equação de Coulomb, a distância entre as partículas é representada pelo termo d . Para nos permitir enfocar a relação entre a força e a distância, vamos retirar as outras partes de nossa equação. Podemos ver que o termo distância está na parte inferior da fração, o que nos diz que a força e a distância estão inversamente relacionadas. Em outras palavras, se a distância aumentar, a força diminuirá. Ou, se a distância diminuir, a força aumentará. Força e distância sempre mudam de forma oposta.
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A próxima coisa a notar é que o termo distância é ao quadrado, o que na verdade é apenas outra maneira de dizer 'distância multiplicada pela distância'. Escrito assim, fica claro que a distância é na verdade representada duas vezes na equação. Isso nos diz que uma mudança na distância terá mais efeito na força do que a mesma quantidade de mudança nas cargas das partículas. Para ajudar a esclarecer, vamos ver mais alguns exemplos.
Começaremos como antes, com dois balões separados por uma distância e uma força de repulsão entre eles. A seguir, dobraremos a distância entre os balões para ver o efeito que isso tem sobre a força. Voltando à equação de Coulomb, podemos ver que, como o termo de distância aparece duas vezes e cada um é duplicado, a parte inferior da fração se torna quatro vezes maior. Reorganizar os termos torna mais fácil ver que a força é agora um quarto de sua força original.
A mesma regra se aplica se formos na outra direção. Começando do início, aproximaremos os balões até que a distância seja cortada pela metade. Novamente, usar a equação para fazer as contas e reorganizar os termos nos permite ver que a força se torna quatro vezes mais forte do que era no início.
Os efeitos combinados de carga e distância
Ao longo de nossa discussão, tratamos as cargas das partículas e a distância separadamente. No entanto, é importante perceber que eles sempre trabalham juntos para afetar a força. Por exemplo, se dobrássemos a carga de cada partícula, o topo de nossa fração se tornaria quatro vezes maior. Ao mesmo tempo, se dobrarmos a distância, a parte inferior de nossa fração também se tornará quatro vezes maior. As mudanças simultâneas têm o efeito de se anularem e a força entre as partículas permanece exatamente a mesma.
Coulomb como a unidade de carga
Antes de concluirmos nossa lição, vale ressaltar que as contribuições de Charles Coulomb para a compreensão da força eletrostática foram tão importantes que a unidade de carga elétrica recebeu o seu nome. Um coulomb de carga é realmente um número muito, muito grande que raramente encontramos na vida cotidiana. Só para se ter uma ideia, teríamos que transferir mais de 6 bilhões de elétrons para um de nossos balões para dar a ele a carga de apenas um coulomb. Não é importante lembrar de um fato tão surpreendente, mas agora você sabe que, se algum dia vir um número expresso em coulombs, esse número está se referindo a uma quantidade de carga elétrica.
Resumo da lição
É hora de encerrar tudo o que aprendemos nesta lição. A lei de Coulomb nos diz como a força entre as partículas carregadas é afetada pelas cargas individuais e a distância entre elas. A força muda em relação direta ao produto das cargas das partículas e em relação inversa à distância. Aumentar as cargas das partículas geralmente resulta em um aumento da força, ao passo que aumentar a distância geralmente resulta em uma diminuição da força. Em comparação com as cargas das partículas, uma mudança na distância tem mais influência na força. No entanto, as cargas das partículas e a distância sempre trabalham juntas para afetar a força. Finalmente, a unidade de carga elétrica é chamada de coulomb.
Resultados de Aprendizagem
Depois de estudar esta lição, você será capaz de:
- Identifique a unidade de carga elétrica
- Explique como as cargas individuais e a distância se relacionam com a força entre as partículas carregadas
- Resuma o que acontece com a força quando as cargas individuais ou a distância entre as cargas muda