Carga elétrica, condutores e isolantes

Esfregue um balão no seu cabelo em um dia seco de inverno e os fios se arrepiam, esticando-se em direção a ele como se fossem convocados. Não há mágica nenhuma aqui — você moveu uma fração infinitesimal dos elétrons do seu cabelo para a superfície do balão, e esse pequeno desequilíbrio já é suficiente para mover o cabelo contra a gravidade. Eletricidade e magnetismo, o tema deste curso inteiro, remontam a uma única propriedade da matéria: a carga elétrica.

O que é a carga

Todo próton carrega uma carga positiva fixa e todo elétron carrega uma carga negativa de mesmo módulo, chamada de carga elementar, e = 1.60 × 10⁻¹⁹ C, em que o coulomb (C) é a unidade SI de carga. A matéria comum é eletricamente neutra porque os átomos têm números iguais de prótons e elétrons; um objeto só se torna carregado quando elétrons são adicionados ou removidos, deixando um excedente ou déficit líquido. Como os elétrons são as partículas que se movem (os prótons ficam presos dentro dos núcleos), todo processo de eletrização — atrito, contato, ou o fluxo de corrente em um fio — é, na verdade, tráfego de elétrons, nunca de prótons.

Duas regras governam toda interação entre cargas que você vai analisar. Primeira: cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem, com uma força que você vai quantificar na próxima lição. Segunda: a carga se conserva: a carga total de um sistema isolado nunca muda. Esfregue o balão no seu cabelo e o cabelo fica positivo exatamente na mesma quantidade em que o balão fica negativo — nada foi criado, apenas redistribuído.

Quantização da carga

Como a carga sempre vem empacotada em prótons e elétrons inteiros, a carga líquida de qualquer objeto é um múltiplo inteiro de e: Q = n e para algum número inteiro n. Isso é chamado de quantização da carga, e significa que uma carga de 1.5 × 1.60 × 10⁻¹⁹ C é fisicamente impossível — a carga, ao contrário da posição ou do tempo, é fundamentalmente discreta, e não contínua. Nos experimentos cotidianos de eletrização, os números n envolvidos são enormes (bilhões de elétrons), razão pela qual a carga parece contínua na escala macroscópica, mesmo não sendo.

Condutores e isolantes

Os materiais diferem enormemente na facilidade com que a carga se move através deles. Em um condutor — metais, água salgada, o corpo humano — os elétrons mais externos estão apenas fracamente ligados aos seus átomos e vagam livremente pelo material, de modo que a carga colocada em qualquer ponto de um condutor rapidamente se espalha. Em um isolante — vidro, borracha, ar seco, plástico — os elétrons permanecem ligados aos seus átomos de origem, de modo que a carga colocada em um ponto praticamente permanece ali. É exatamente por isso que esfregar funciona em um balão (um isolante), mas falharia em uma barra de metal segurada na sua mão (um condutor, ligado através de você ao vasto reservatório neutro da Terra).

A carga também pode ser deslocada sem contato, por indução: aproxime uma barra carregada de um condutor neutro e seus elétrons livres se afastam (ou se aproximam) da barra, polarizando o condutor em regiões positivas e negativas separadas, mesmo que sua carga total continue zero. Aterre o lado mais distante enquanto a barra ainda está próxima e os elétrons podem escapar (ou chegar) completamente, deixando o condutor com uma carga líquida genuína, oposta à da barra — sem que os dois jamais se toquem.

Exemplo resolvido: contando elétrons

Um pente de plástico carregado adquiriu uma carga líquida de −3.2 nC depois de ser arrastado por um cabelo seco. Quantos elétrons em excesso ele carrega?

n = Q / e = 3.2 × 10⁻⁹ C / 1.60 × 10⁻¹⁹ C
  = 2.0 × 10¹⁰ electrons

Vinte bilhões de elétrons parece um número enorme, e é — mas isso representa um desequilíbrio de carga de apenas alguns bilionésimos de coulomb, uma quantidade pequena demais para ser sentida como um choque, mas grande o suficiente para estalar e crepitar no ar seco ou atrair pedacinhos de papel.

Por que isso importa

Todo fenômeno deste curso — a força entre cargas, os campos que elas criam, as correntes que acendem um circuito, o magnetismo que a corrente produz — começa a partir dos dois fatos deste capítulo: a carga se conserva e é quantizada. Fotocopiadoras e impressoras a laser depositam toner usando indução e carga estática; a montagem de eletrônicos com proteção contra ESD existe porque uma faísca perdida do seu corpo pode destruir um microchip; um raio nada mais é do que essas mesmas regras operando em escala planetária, quando a carga separada em uma nuvem de tempestade finalmente supera a resistência isolante do ar.

Currículo alinhado a University Physics Volume 2 da OpenStax; todo o texto das lições é original do Syllabus.