A lei de Coulomb é uma lei que define a força exercida por um campo elétrico sobre uma carga elétrica. Esta é a força que atua entre objetos eletricamente carregados e é definida operacionalmente pelo valor da interação entre duas cargas elétricas pontuais estacionárias no vácuo.
A lei de Coulomb afirma: “A força elétrica de atração ou repulsão entre duas cargas é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.”
Essa força é chamada de força de Coulomb e foi descrita por Na física, a força de Coulomb, descrita por Charles-Augustin de Coulomb.
Charles-Augustin de Coulomb inventou a balança de torção para medir a atração magnética e elétrica. Este instrumento é capaz de medir o torque resultante da aplicação de uma ou mais forças em seus braços.
Definição da lei de Coulomb
A lei de Coulomb afirma que a força de interação entre duas cargas elétricas pontuais é diretamente proporcional ao produto das magnitudes das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Essa força é atrativa se as cargas forem de sinais opostos e repulsiva se forem do mesmo sinal.
A lei descreve como cargas elétricas influenciam umas às outras através do espaço e é fundamental para a teoria eletromagnética.
Fórmula matemática
A força de Coulomb pode ser calculada usando a seguinte equação:
Onde:
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F é a força de Coulomb expressa em Newtons (N).
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q 1 é a primeira carga pontual expressa em Coulombs (C).
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q 2 é a segunda carga pontual (C).
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r é a distância entre duas cargas pontuais expressa em metros (m).
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k C é uma constante eletrostática cujo valor é aproximadamente 8,988 × 10 9 N m 2 C -2
Todas as variáveis descritas nesta definição correspondem ao sistema internacional de unidades.
Se o sinal da força for positivo, significa que a força é repulsiva. Se, ao contrário, for negativa, a força é de atração.
Da fórmula podemos tirar várias conclusões de que a força é diretamente proporcional ao produto das cargas elétricas q 1 e q 2
Exemplos da lei de Coulomb
A lei de Coulomb se aplica sempre que cargas elétricas e campos elétricos estão envolvidos. Alguns exemplos na vida cotidiana são:
- Eletroímãs : Um eletroímã gera uma força magnética quando uma corrente elétrica flui através de um fio enrolado em torno de um núcleo ferromagnético. A interação entre as cargas elétricas em movimento dentro do condutor e o campo magnético resultante segue os princípios da lei de Coulomb, uma vez que as cargas dentro do condutor se atraem ou se repelem dependendo de seus sinais e da distância relativa entre elas.
Motores elétricos : Em motores elétricos, a força que impulsiona o movimento vem da interação entre cargas elétricas dentro de campos magnéticos. Essa interação pode ser entendida pela lei de Coulomb, pois cargas dentro das bobinas do motor interagem com outras cargas no rotor e no estator, gerando torque que causa movimento.- Cargas eletrostáticas em um balão : Se esfregarmos um balão em um suéter de lã, alguns elétrons são transferidos do suéter para o balão, carregando-o negativamente. Esse acúmulo de carga faz com que o balão exerça uma força atrativa sobre objetos com cargas opostas, como os átomos no teto. Devido à lei de Coulomb, o excesso de elétrons no balão cria uma atração pelos prótons dos átomos no teto, permitindo que o balão grude temporariamente na superfície. Este fenômeno é um exemplo de como as forças eletrostáticas atuam no mundo macroscópico.
- Faíscas elétricas : Em um dia seco, quando uma pessoa anda sobre um carpete e toca em uma superfície metálica, ela pode sofrer um pequeno choque elétrico. Isso acontece porque, ao caminhar, cargas de diferentes signos se acumulam nas roupas ou no corpo, criando um desequilíbrio. A lei de Coulomb explica o acúmulo de cargas e a subsequente liberação de energia na forma de uma faísca quando o equilíbrio elétrico entre o corpo e o objeto metálico é restaurado.
- Relâmpagos : Durante uma tempestade, cargas de diferentes sinais se acumulam nas nuvens. Quando a diferença de carga é grande o suficiente, ocorre uma descarga elétrica na forma de um raio. Esse fenômeno é uma manifestação da lei de Coulomb, já que as cargas opostas entre a nuvem e o solo se atraem com grande força.
- Carga eletrostática na roupa : Quando esfregamos um suéter de lã ou sintético em nossa roupa, elétrons são transferidos, criando uma carga eletrostática. Às vezes, isso faz com que as roupas grudem na pele ou pequenas faíscas apareçam ao tocar em uma alça de metal. Isso acontece porque as cargas elétricas interagem de acordo com a lei de Coulomb.
- Interação entre partículas de poeira e superfícies carregadas : Em locais secos ou quando esfregamos certos materiais, pode haver acúmulo de cargas estáticas. Isso faz com que pequenas partículas de poeira grudem em superfícies carregadas, como a tela de um telefone ou de uma TV, mostrando como cargas opostas atraem partículas carregadas.
- Eletrodomésticos e telas sensíveis ao toque : dispositivos eletrônicos como celulares e telas sensíveis ao toque funcionam por meio da interação de cargas elétricas. Por exemplo, quando você toca em uma tela capacitiva, os elétrons do seu dedo interagem com os sensores do dispositivo, gerando uma resposta na tela, tudo regido pela lei de Coulomb.
Exercício sobre a aplicação da lei de Coulomb
Determine a força elétrica entre duas esferas carregadas de 1 μC cada, colocadas a uma distância de 1,0 cm.
Executando o exercício
Duas cargas elétricas pontuais são colocadas a uma distância de 1 cm uma da outra.
Queremos determinar a força elétrica estabelecida entre as duas cargas elétricas, sabendo que cada carga tem uma intensidade igual a 1 μC.
Aplicamos a lei de Coulomb diretamente:
Em que:
Q 1 = Q 2 = Q = 1 μC = 10 -6 C.
r = 1,0 cm = 10 -2 m
Substituindo a fórmula temos:
F= 8,988 · 10 9 · (10 -6 · 10 -6 ) / 10 -2 = 89,88 N