Na aula passada estudamos a Lei de Coulomb, que nada mais é, que a lei que rege a interação entre corpos que possuam cargas. Essa interação se manifesta em uma força, cuja intensidade varia inversamente ao quadrado da distância entre os dois corpos em análise. É interessante notar que, essa força só é evidenciada quando temos a presença de duas cargas, então, se imaginarmos um lugar no universo onde não existem corpos alguns, e nesse vácuo colocarmos uma carga q₁, o que acontecerá? Nada. A carga é simplesmente colocada no espaço. No entanto, se colocarmos uma outra carga q₂, sabemos pela Lei de Coulomb, que uma força irá surgir entre as duas cargas. É fácil aceitarmos, portanto, que a carga q₁, quando sozinha, estava moldando no espaço inteiro uma condição, tal que, ao colocarmos qualquer carga nesse “espaço alterado” fará surgir uma força.
Atualmente, esse tipo de colocação pode parecer irrelevante mas, até Newton, supor que dois corpos poderiam interagir sem que eles se tocassem era um absurdo (e se pararmos para pensar, realmente é impressionante!), e isso foi um problema para as pessoas aceitarem a teoria da gravitação que, por mais que fosse quantitativamente muito bem descrita, deixava por desejar nas explicações sobre interações entre corpos sem o contato deles. A “solução" para esse problema é assumir que um corpo deforma o espaço, de tal modo que, quando colocarmos outro no “espaço deformado”, teremos a interação de ambos através do próprio espaço. A ideia da carga q₁ alterar o espaço para uma outra carga q₂ sofrer as forças descrita pela Lei de Coulomb é uma maneira de, em primeiro lugar, prever o que se passaria se colocarmos qualquer carga em um espaço já alterado pela carga q₁ e, posteriormente, seremos capazes de analisar sistemas com várias cargas com muito mais facilidade.
De qualquer maneira, assumiremos que a carga q₁, irá alterar um ponto do espaço por um fator “E”. Não conhecemos muito sobre esse “E”, mas sabemos que, ao colocarmos uma outra carga q₂ nesse ponto do espaço, pela lei de Coulomb, surgirá uma força entre a carga q₁ e q₂, cuja orientação desconhecemos mas, cujo módulo pode ser facilmente encontrado. Se supormos que a força entre as cargas é dada por E multiplicado por q₂ (afinal de contas, o fator foi inventado por nós), encontramos que E pode ser definido como kq₁/r², uma grandeza que multiplicada por uma carga, terá como resultado uma força! Assim sendo, qualquer carga que for colocada no espaço que está influenciado pela carga q₁ sofrerá uma força de "E vezes a carga colocada”. O fator “E" é o que chamamos de Campo Elétrico. E assim, completamos parte da primeira “meta" exposta no parágrafo anterior.
No entanto, mesmo após os argumentos acima, o “Campo Elétrico” ainda é algo muito abstrato, muito difícil de ser palpado. Por conta disso, com o passar do tempo, os físicos começaram a elaborar diversas maneiras de representar um campo elétrico e, uma delas, é, considerando uma carga puntiforme, desenharmos radialmente linhas, linhas que representam o campo elétrico. Uma outra problemática era conseguir representar a direção das forças entre duas cargas e, para tanto, outra convenção foi tomada: considerou-se que cargas cujo sinal é positivo possuem um campo elétrico que está “para fora” da carga, e cargas negativas possuem campo elétrico que está “para dentro” dela, como mostra a imagem abaixo:
Pela imagem e convenção do sentido do campo, já podemos começar a concluir que Campos Elétricos são grandezas vetoriais, de direções determinadas pelos sinais das cargas que os produzem. Se a carga for positiva, o vetor estará “para longe” dela, e se for negativa, o contrário. Isso nos permite escrevermos a força elétrica de interação entre duas cargas da seguinte maneira:
Nesse ponto, podemos trabalhar com um exemplo: suponha que é colocado um elétron em um determinado ponto no espaço que dista de um próton uma distância d. Qual será o sentido da força entre as duas cargas? Bem, o problema poderia ser facilmente resolvido pela lei de coulomb, pois, sabemos que cargas de sinais opostas se atraem. Mas, podemos tentar chegar no mesmo resultado de uma outra maneira; o próton produz linhas de campos que estão “para fora” dele, o elétron possui cargas de sinal negativo. Logo, pela equação acima, a força elétrica possuirá sentido oposto ao campo elétrico (por conta do sinal negativo da carga), qual sentido é esse? Apontando “para dentro” da carga positiva, portanto, o elétron e o próton se atraem.
Mas por que é interessante “complicarmos" a solução de uma questão que já era respondida pelos estudos da Lei de Coulomb? Bem, de fato, para sistemas com duas cargas, a Lei de Coulomb nos é uma ferramenta muito mais útil, entretanto, se formos analisar um sistema com 5, 6, n, cargas no espaço, é mais fácil somarmos todos os vetores de campo (encontrando o que chamamos de campo resultante) e a partir do sinal da carga que queremos estudar, descobrirmos para onde estará a força elétrica.
Outra dúvida que podemos ter é se devemos considerar ou não o campo da própria carga em uma análise sobre ela mesma, isto é, será que o campo do elétron (no nosso exemplo) não influencia o próprio elétron? A resposta é “não”! Se nos lembrarmos da Terceira Lei de Newton, nela, subentende-se que um corpo nunca poderá exercer força sobre ele mesmo, isto é, um corpo nunca poderá, por si só, acelerar-se, portanto, a carga de um elétron não traz influência sobre ele mesmo, nos limites que trabalhamos aqui. Na verdade, se algum aluno for estudar física moderna, ele encontrará que quando uma carga se aproxima da velocidade da luz, é sim possível que ela seja influenciada pelo próprio campo produzido, mas essa questão será discutida somente posteriormente, e, como estamos trabalhando com as aproximações da física clássica tidas como verdadeiras continuamos a responder firmemente que “não, uma carga não será influenciada pelo próprio campo”, por mais que saibamos que isso não é uma inteira verdade.
E assim já podemos encerrar nossa aula sobre Campos Elétricos, a qual tinha como um grande objetivo não somente enumerar uma definição mas também, tentar explicar ao aluno um pouco sobre a “origem" da força elétrica, e que compreender a noção de campo já era um problema muito antigo na física que o estudo do eletromagnetismo ajudou a superar! No próximo texto de elétrica, começaremos a inserir uma outra ferramenta da mecânica clássica para a análise de sistemas com cargas: os conceitos de energia. Que serão vitais até o final do curso de eletromagnetismo.
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