O que e carga elétrica e quais os tipos de carga elétrica existentes?

Carga elétrica é a propriedade física da matéria que faz com que ela experimente uma força quando colocada em um campo eletromagnético . Existem dois tipos de carga elétrica: positiva e negativa (comumente carregada por prótons e elétrons, respectivamente). Cargas semelhantes se repelem e cargas diferentes se atraem. Um objeto com ausência de carga líquida é referido como neutro . O conhecimento inicial de como as substâncias carregadas interagem é agora chamado de eletrodinâmica clássica e ainda é preciso para problemas que não requerem consideração deefeitos quânticos .

Carga elétrica
Campo elétrico de uma carga pontual positiva e negativa
Símbolos comuns	q
Unidade SI	coulomb
Outras unidades	carga elementar faraday ampere hora
Em unidades de base SI	C = A⋅s
Extensivo ?	sim
Conservado ?	sim
Dimensão

A carga elétrica é uma propriedade conservada ; a carga líquida de um sistema isolado , a quantidade de carga positiva menos a quantidade de carga negativa, não pode mudar. A carga elétrica é transportada por partículas subatômicas . Na matéria comum, a carga negativa é transportada pelos elétrons, e a carga positiva é transportada pelos prótons nos núcleos dos átomos . Se houver mais elétrons do que prótons em um pedaço de matéria, ele terá uma carga negativa; se houver menos, ele terá uma carga positiva; se houver números iguais, ele será neutro. A carga é quantizada ; vem em múltiplos inteiros de pequenas unidades individuais chamadas de carga elementar , e , sobre1,602 × 10 −19  coulombs , [1] que é a menor carga que pode existir livremente (partículas chamadas quarks têm cargas menores, múltiplos de1/3e , mas eles só são encontrados em combinação e sempre se combinam para formar partículas com carga inteira). O próton tem carga de + e , e o elétron tem carga de - e .

Cargas elétricas produzem campos elétricos . [2] Uma carga móvel também produz um campo magnético . [3] A interação de cargas elétricas com um campo eletromagnético (combinação de campos elétricos e magnéticos) é a fonte da força eletromagnética (ou Lorentz) , [4] que é uma das quatro forças fundamentais na física . O estudo das interações mediadas por fótons entre partículas carregadas é chamado de eletrodinâmica quântica . [5]

A unidade de carga elétrica derivada do SI é o coulomb (C) em homenagem ao físico francês Charles-Augustin de Coulomb . Na engenharia elétrica , também é comum usar o ampere-hora (Ah); em física e química , é comum usar a carga elementar ( e como uma unidade). A química também usa a constante de Faraday como a carga em um mol de elétrons. O símbolo minúsculo q geralmente denota carga.

Carga é a propriedade fundamental da matéria que exibe atração ou repulsão eletrostática na presença de outra matéria com carga. A carga elétrica é uma propriedade característica de muitas partículas subatômicas . As cargas das partículas independentes são múltiplos inteiros da carga elementar e ; dizemos que a carga elétrica é quantizada . Michael Faraday , em seus experimentos de eletrólise , foi o primeiro a notar a natureza discreta da carga elétrica. O experimento da gota de óleo de Robert Millikan demonstrou esse fato diretamente e mediu a carga elementar. Foi descoberto que um tipo de partícula, quarks , tem cargas fracionárias de - 1/3 ou + 2/3, mas acredita-se que sempre ocorrem em múltiplos de carga integral; quarks independentes nunca foram observados.

Por convenção , a carga de um elétron é negativa, −e , enquanto a de um próton é positiva, + e . Partículas carregadas cujas cargas têm o mesmo sinal se repelem e partículas cujas cargas têm sinais diferentes se atraem. A lei de Coulomb quantifica a força eletrostática entre duas partículas, afirmando que a força é proporcional ao produto de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A carga de uma antipartícula é igual à da partícula correspondente, mas com sinal oposto.

A carga elétrica de um objeto macroscópico é a soma das cargas elétricas das partículas que o compõem. Essa carga costuma ser pequena, porque a matéria é feita de átomos , e os átomos normalmente têm números iguais de prótons e elétrons , caso em que suas cargas se cancelam, gerando uma carga líquida de zero, tornando o átomo neutro.

Um íon é um átomo (ou grupo de átomos) que perdeu um ou mais elétrons, dando a ele uma carga líquida positiva (cátion), ou que ganhou um ou mais elétrons, dando a ele uma carga líquida negativa (ânion). Os íons monoatômicos são formados a partir de átomos individuais, enquanto os íons poliatômicos são formados a partir de dois ou mais átomos que foram ligados entre si, em cada caso produzindo um íon com uma carga líquida positiva ou negativa.

Durante a formação de objetos macroscópicos, átomos e íons constituintes geralmente se combinam para formar estruturas compostas de compostos iônicos neutros eletricamente ligados a átomos neutros. Assim, os objetos macroscópicos tendem a ser neutros em geral, mas os objetos macroscópicos raramente são perfeitamente neutros.

Às vezes, os objetos macroscópicos contêm íons distribuídos por todo o material, rigidamente ligados no lugar, dando uma carga geral positiva ou negativa ao objeto. Além disso, objetos macroscópicos feitos de elementos condutores podem mais ou menos facilmente (dependendo do elemento) receber ou liberar elétrons e, em seguida, manter uma carga líquida negativa ou positiva indefinidamente. Quando a carga elétrica líquida de um objeto é diferente de zero e imóvel, o fenômeno é conhecido como eletricidade estática . Isso pode ser facilmente obtido esfregando-se dois materiais diferentes, como âmbar com pele ou vidro com seda . Desta forma, os materiais não condutores podem ser carregados em um grau significativo, tanto positiva quanto negativamente. A carga retirada de um material é movida para o outro material, deixando para trás uma carga oposta de mesma magnitude. A lei da conservação de carga sempre se aplica, dando ao objeto do qual uma carga negativa é retirada uma carga positiva da mesma magnitude, e vice-versa.

Mesmo quando a carga líquida de um objeto é zero, a carga pode ser distribuída de maneira não uniforme no objeto (por exemplo, devido a um campo eletromagnético externo ou moléculas polares ligadas). Em tais casos, diz-se que o objeto está polarizado . A carga devido à polarização é conhecida como carga ligada , enquanto a carga em um objeto produzida por elétrons ganhos ou perdidos de fora do objeto é chamada de carga gratuita . O movimento dos elétrons em metais condutores em uma direção específica é conhecido como corrente elétrica .

A unidade de quantidade de carga elétrica derivada do SI é o coulomb (símbolo: C). O coulomb é definido como a quantidade de carga que passa pela seção transversal de um condutor elétrico carregando um ampere por um segundo . [6] Esta unidade foi proposta em 1946 e ratificada em 1948. [6] Na prática moderna, a frase "quantidade de carga" é usada em vez de "quantidade de carga". [7] O símbolo minúsculo q é freqüentemente usado para denotar uma quantidade de eletricidade ou carga. A quantidade de carga elétrica pode ser medida diretamente com um eletrômetro ou indiretamente medida com um galvanômetro balístico .

A quantidade de carga em 1 elétron ( carga elementar ) é definida como uma constante fundamental no sistema de unidades do SI (efetivo a partir de 20 de maio de 2019). [8] O valor para carga elementar, quando expresso na unidade SI para carga elétrica (coulomb), é exatamente 1,602 176 634 × 10 −19  C [1] . [8]

Depois de descobrir o caráter quantizado da carga, em 1891 George Stoney propôs a unidade "elétron" para essa unidade fundamental de carga elétrica. Isso foi antes da descoberta da partícula por JJ Thomson em 1897. A unidade é hoje referida como carga elementar , unidade fundamental de carga ou simplesmente e . Uma medida de carga deve ser um múltiplo da carga elementar e , mesmo que em grandes escalas a carga pareça se comportar como uma quantidade real . Em alguns contextos, é significativo falar de frações de uma carga; por exemplo, no carregamento de um capacitor ou no efeito Hall quântico fracionário .

A unidade faraday às vezes é usada em eletroquímica. Um faraday de carga é a magnitude da carga de um mol de elétrons, [9] ou seja, 96485.33289 (59) C.

Em sistemas de unidades diferentes do SI, como cgs , a carga elétrica é expressa como combinação de apenas três quantidades fundamentais (comprimento, massa e tempo), e não quatro, como no SI, onde a carga elétrica é uma combinação de comprimento, massa, tempo e corrente elétrica. [10] [11]

Balança de torção de Coulomb

Desde os tempos antigos, as pessoas estavam familiarizadas com quatro tipos de fenômenos que hoje seriam explicados usando o conceito de carga elétrica: (a) relâmpagos , (b) o peixe torpedo (ou raio elétrico), (c) Fogo de Santo Elmo e (d) aquele âmbar esfregado com pêlo atrairia objetos pequenos e leves. [12] O primeiro relato do efeito âmbar é frequentemente atribuído ao antigo matemático grego Tales de Mileto , que viveu desde c. 624 - c. 546 aC, mas há dúvidas sobre se Tales deixou algum escrito; [13] seu relato sobre o âmbar é conhecido a partir de um relato do início dos anos 200. [14] Esta consideração pode ser tomada como evidência de que o fenômeno era conhecido desde pelo menos c. 600 AC, mas Tales explicou este fenômeno como evidência de objetos inanimados com alma. [14] Por outras palavras, não houve indicação de qualquer concepção da carga eléctrica. De maneira mais geral, os gregos antigos não entendiam as conexões entre esses quatro tipos de fenômenos. Os gregos observaram que os botões âmbar carregados podiam atrair objetos leves, como cabelos . Eles também descobriram que se esfregassem o âmbar por tempo suficiente, eles poderiam até fazer uma faísca elétrica saltar, [ carece de fontes? ], Mas também há uma alegação de que nenhuma menção de faíscas elétricas apareceu até o final do século 17. [15] Esta propriedade deriva do efeito triboelétrico . No final dos anos 1100, observou-se que o jato de substância , uma forma compactada de carvão, tinha um efeito âmbar, [16] e em meados dos anos 1500, Girolamo Fracastoro , descobriu que o diamante também apresentava esse efeito. [17] Alguns esforços foram feitos por Fracastoro e outros, especialmente Gerolamo Cardano para desenvolver explicações para este fenômeno. [18]

Em contraste com a astronomia , a mecânica e a óptica , que foram estudadas quantitativamente desde a antiguidade, o início da pesquisa qualitativa e quantitativa em andamento sobre os fenômenos elétricos pode ser marcado com a publicação de De Magnete pelo cientista inglês William Gilbert em 1600. [19] neste livro, houve uma pequena secção onde Gilbert voltou para o efeito âmbar (como ele chamava) para enfrentar muitas das teorias anteriores, [18] e cunhou o New Latin palavra electrica (de ἤλεκτρον (Elektron), o grego palavra para âmbar ). A palavra latina foi traduzida para o inglês como elétrica . [20] Gilbert também é creditado com o termo elétrico , enquanto o termo eletricidade veio mais tarde, atribuído pela primeira vez a Sir Thomas Browne em sua Pseudodoxia Epidemica de 1646. [21] (Para obter mais detalhes linguísticos, consulte Etimologia da eletricidade .) Gilbert levantou a hipótese de que isso O efeito âmbar pode ser explicado por um eflúvio (um pequeno fluxo de partículas que flui do objeto elétrico, sem diminuir seu volume ou peso) que atua sobre outros objetos. Essa ideia de um eflúvio material elétrico foi influente nos séculos XVII e XVIII. Foi um precursor das ideias desenvolvidas no século 18 sobre "fluido elétrico" (Dufay, Nollet, Franklin) e "carga elétrica". [22]

Por volta de 1663 Otto von Guericke inventou o que provavelmente foi o primeiro gerador eletrostático , mas ele não o reconheceu principalmente como um dispositivo elétrico e apenas conduziu experimentos elétricos mínimos com ele. [23] Outros pioneiros europeus foram Robert Boyle , que em 1675 publicou o primeiro livro em inglês dedicado exclusivamente aos fenômenos elétricos. [24] Seu trabalho foi em grande parte uma repetição dos estudos de Gilbert, mas ele também identificou vários outros "elétricos", [25] e notou a atração mútua entre dois corpos. [24]

Em 1729, Stephen Gray estava fazendo experiências com eletricidade estática , que gerou usando um tubo de vidro. Ele percebeu que uma rolha, usada para proteger o tubo da poeira e da umidade, também ficava eletrificada (carregada). Experimentos posteriores (por exemplo, estender a cortiça colocando finos palitos nela) mostraram - pela primeira vez - que eflúvios elétricos (como Gray o chamou) podiam ser transmitidos (conduzidos) à distância. Gray conseguiu transmitir carga com barbante (765 pés) e arame (865 pés). [26] Por meio desses experimentos, Gray descobriu a importância de diferentes materiais, que facilitavam ou dificultavam a condução de eflúvios elétricos. John Theophilus Desaguliers , que repetiu muitos dos experimentos de Gray, é responsável por cunhar os termos condutores e isolantes para se referir aos efeitos de diferentes materiais nesses experimentos. [26] Gray também descobriu a indução elétrica (ou seja, onde a carga pode ser transmitida de um objeto para outro sem qualquer contato físico direto). Por exemplo, ele mostrou que, aproximando um tubo de vidro carregado, mas sem tocar, um pedaço de chumbo sustentado por um fio, era possível fazer com que o chumbo ficasse eletrificado (por exemplo, para atrair e repelir limalhas de latão). [27] Ele tentou explicar esse fenômeno com a ideia de eflúvio elétrico. [28]

As descobertas de Gray introduziram uma mudança importante no desenvolvimento histórico do conhecimento sobre carga elétrica. O fato de que eflúvios elétricos pudessem ser transferidos de um objeto para outro, abria a possibilidade teórica de que essa propriedade não estava inseparavelmente ligada aos corpos que foram eletrificados pela fricção. [29] Em 1733, Charles François de Cisternay du Fay , inspirado no trabalho de Gray, fez uma série de experimentos (relatados em Mémoires de l ' Académie Royale des Sciences ), mostrando que mais ou menos todas as substâncias podiam ser "eletrificadas" por fricção, exceto para metais e fluidos [30] e propôs que a eletricidade vem em duas variedades que se cancelam, o que ele expressou em termos de uma teoria dos dois fluidos. [31] Quando o vidro foi esfregado com seda , du Fay disse que o vidro era carregado com eletricidade vítrea e, quando o âmbar era esfregado com pelo, o âmbar era carregado com eletricidade resinosa . Na compreensão contemporânea, a carga positiva é agora definida como a carga de uma haste de vidro após ser esfregada com um pano de seda, mas é arbitrário qual tipo de carga é chamada de positiva e qual é chamada de negativa. [32] Outra importante teoria dos dois fluidos dessa época foi proposta por Jean-Antoine Nollet (1745). [33]

Até cerca de 1745, a principal explicação para a atração e repulsão elétrica era a ideia de que corpos eletrificados emitiam um eflúvio. [34] Benjamin Franklin iniciou experimentos elétricos no final de 1746, [35] e em 1750 desenvolveu uma teoria de um fluido de eletricidade , com base em um experimento que mostrou que um vidro atritado recebia a mesma, mas oposta, força de carga do tecido usado para esfregar o vidro. [35] [36] Franklin imaginou a eletricidade como um tipo de fluido invisível presente em toda a matéria; por exemplo, ele acreditava que era o vidro de uma jarra de Leyden que continha a carga acumulada. Ele postulou que esfregar as superfícies isolantes fez com que esse fluido mudasse de localização e que um fluxo desse fluido constitui uma corrente elétrica. Ele também postulou que, quando a matéria continha muito pouco do fluido, era carregada negativamente e, quando havia excesso, era carregada positivamente . Ele identificou o termo positivo com eletricidade vítrea e negativo com eletricidade resinosa após realizar um experimento com um tubo de vidro que recebera de seu colega estrangeiro Peter Collinson. O experimento teve o participante A carregando o tubo de vidro e o participante B recebeu um choque na articulação do tubo carregado. Franklin identificou o participante B como carregado positivamente após ter recebido o choque do tubo. [37] Há alguma ambigüidade sobre se William Watson chegou independentemente à mesma explicação de um fluido na mesma época (1747). Watson, depois de ver a carta de Franklin para Collinson, afirma que apresentou a mesma explicação que Franklin na primavera de 1747. [38] Franklin havia estudado alguns dos trabalhos de Watson antes de fazer seus próprios experimentos e análises, o que provavelmente foi significativo para a própria teorização de Franklin . [39] Um físico sugere que Watson propôs primeiro uma teoria de um fluido, que Franklin elaborou mais adiante e de forma mais influente. [40] Um historiador da ciência argumenta que Watson perdeu uma diferença sutil entre suas idéias e as de Franklin, de modo que Watson interpretou erroneamente suas idéias como sendo semelhantes às de Franklin. [41] Em qualquer caso, não havia nenhuma animosidade entre Watson e Franklin, eo modelo Franklin de ação elétrica, formulada no início de 1747, eventualmente se tornou amplamente aceita na época. [39] Após o trabalho de Franklin, explicações baseadas em eflúvios raramente eram apresentadas. [42]

Sabe-se agora que o modelo de Franklin estava fundamentalmente correto. Existe apenas um tipo de carga elétrica e apenas uma variável é necessária para controlar a quantidade de carga. [43]

Até 1800 só era possível estudar a condução de carga elétrica por meio de uma descarga eletrostática. Em 1800, Alessandro Volta foi o primeiro a mostrar que a carga podia ser mantida em movimento contínuo por meio de um caminho fechado. [44]

Em 1833, Michael Faraday procurou eliminar qualquer dúvida de que a eletricidade é idêntica, independentemente da fonte pela qual é produzida. [45] Ele discutiu uma variedade de formas conhecidas, que caracterizou como eletricidade comum (por exemplo, eletricidade estática , piezoeletricidade , indução magnética ), eletricidade voltaica (por exemplo, corrente elétrica de uma pilha voltaica ) e eletricidade animal (por exemplo, bioeletricidade ) .

Em 1838, Faraday levantou uma questão sobre se a eletricidade era um fluido ou fluidos ou uma propriedade da matéria, como a gravidade. Ele investigou se o assunto poderia ser acusado de um tipo de acusação independentemente do outro. [46] Ele chegou à conclusão de que a carga elétrica era uma relação entre dois ou mais corpos, porque ele não podia carregar um corpo sem ter uma carga oposta em outro corpo. [47]

Em 1838, Faraday também apresentou uma explicação teórica da força elétrica, ao expressar neutralidade sobre se ela se origina de um, dois ou nenhum fluido. [48] Ele se concentrou na ideia de que o estado normal das partículas é não polarizado e que, quando polarizadas, buscam retornar ao seu estado natural não polarizado.

Ao desenvolver uma abordagem da teoria de campo para a eletrodinâmica (começando em meados da década de 1850), James Clerk Maxwell deixa de considerar a carga elétrica como uma substância especial que se acumula nos objetos e passa a entender a carga elétrica como consequência da transformação da energia no campo . [49] Este entendimento pré-quântico considerou a magnitude da carga elétrica como uma quantidade contínua, mesmo no nível microscópico. [49]

Eletricidade estática refere-se à carga elétrica de um objeto e à descarga eletrostática relacionada quando dois objetos não estão em equilíbrio. Uma descarga eletrostática cria uma mudança na carga de cada um dos dois objetos.

Eletrificação por fricção

Quando um pedaço de vidro e um pedaço de resina - nenhum dos quais exibe propriedades elétricas - são esfregados e deixados com as superfícies atritadas em contato, eles ainda não exibem propriedades elétricas. Quando separados, eles se atraem.

Uma segunda peça de vidro esfregada com uma segunda peça de resina, então separada e suspensa perto das peças anteriores de vidro e resina causa estes fenômenos:

• As duas peças de vidro se repelem.
• Cada pedaço de vidro atrai cada pedaço de resina.
• As duas peças de resina se repelem.

Essa atração e repulsão é um fenômeno elétrico , e os corpos que as exibem são considerados eletrificados , ou eletricamente carregados . Os corpos podem ser eletrificados de muitas outras maneiras, bem como por fricção. As propriedades elétricas das duas peças de vidro são semelhantes entre si, mas opostas às das duas peças de resina: O vidro atrai o que a resina repele e repele o que a resina atrai.

Se um corpo eletrificado de qualquer maneira se comporta como o vidro, isto é, se repele o vidro e atrai a resina, o corpo é dito vítreamente eletrificado, e se atrai o vidro e repele a resina, é dito que ser resinosamente eletrificado. Todos os corpos eletrificados são eletrificados de forma vítrea ou resinosa.

Uma convenção estabelecida na comunidade científica define a eletrificação vítrea como positiva e a eletrificação resinosa como negativa. As propriedades exatamente opostas dos dois tipos de eletrificação justificam nossa indicação por sinais opostos, mas a aplicação do sinal positivo a um, em vez de ao outro tipo, deve ser considerada uma questão de convenção arbitrária - assim como é uma questão de convenção no diagrama matemático para calcular distâncias positivas em direção à mão direita.

Nenhuma força, seja de atração ou de repulsão, pode ser observada entre um corpo eletrificado e um corpo não eletrificado. [50]

A corrente elétrica é o fluxo de carga elétrica através de um objeto, que não produz perda ou ganho líquido de carga elétrica. Os portadores de carga mais comuns são o próton com carga positiva e o elétron com carga negativa . O movimento de qualquer uma dessas partículas carregadas constitui uma corrente elétrica. Em muitas situações, basta falar da corrente convencional sem levar em consideração se ela é transportada por cargas positivas que se movem na direção da corrente convencional ou por cargas negativas que se movem na direção oposta. Este ponto de vista macroscópico é uma aproximação que simplifica os conceitos e cálculos eletromagnéticos.

No extremo oposto, se olharmos para a situação microscópica, veremos que existem muitas maneiras de transportar uma corrente elétrica , incluindo: um fluxo de elétrons; um fluxo de buracos de elétrons que agem como partículas positivas; e partículas negativas e positivas ( íons ou outras partículas carregadas) fluindo em direções opostas em uma solução eletrolítica ou um plasma .

Cuidado que, no caso comum e importante dos fios metálicos, a direção da corrente convencional é oposta à velocidade de deriva dos próprios portadores de carga; ou seja, os elétrons. Isso é uma fonte de confusão para iniciantes.

A carga elétrica total de um sistema isolado permanece constante, independentemente das mudanças no próprio sistema. Essa lei é inerente a todos os processos conhecidos pela física e pode ser derivada de uma forma local da invariância de calibre da função de onda . A conservação de carga resulta na equação de continuidade de carga-corrente . Mais geralmente, a taxa de mudança na densidade de carga ρ dentro de um volume de integração V é igual à área integral sobre a densidade de corrente J através da superfície fechada S = ∂ V , que por sua vez é igual à corrente líquida I :

Assim, a conservação da carga elétrica, expressa pela equação de continuidade, dá o resultado:

A carga transferida entre os tempos e é obtido integrando os dois lados:

onde I é a corrente de saída líquida através de uma superfície fechada eq é a carga elétrica contida no volume definido pela superfície.

Além das propriedades descritas em artigos sobre eletromagnetismo , a carga é um invariante relativístico . Isso significa que qualquer partícula com carga q tem a mesma carga, independentemente de quão rápido ela esteja viajando. Esta propriedade foi verificada experimentalmente, mostrando que a carga de um núcleo de hélio (dois prótons e dois nêutrons unidos em um núcleo e movendo-se em alta velocidade) é a mesma que dois núcleos de deutério (um próton e um nêutron ligados, mas movendo-se muito mais lentamente do que se estivessem em um núcleo de hélio). [51] [52] [53]

• Unidades de eletromagnetismo SI
• Carga de cor
• Carga parcial

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  Mídia relacionada à carga elétrica no Wikimedia Commons
• Quão rápido uma carga decai?