Cargas iguais se repelem e cargas opostas atraem, mas qual é o tamanho dessa força de atração? Assim como você tem uma equação para calcular a força da gravidade entre duas massas, também existe uma fórmula para determinar a força elétrica entre duas cargas.

A unidade SI de carga elétrica é o Coulomb (C) e o portadores de carga fundamental são o próton, com carga + e
, e o elétron, com carga -e
, onde a carga elementar e
\u003d 1,602 × 10 ^{-19 C. Por causa disso, às vezes a carga de um objeto é representada como um múltiplo de e
.
Lei de Coulomb}

Lei de Coulomb, em homenagem ao físico francês Charles-Augustin de Coulomb , fornece a força elétrica entre cargas de dois pontos q _{1
e q 2
uma distância de separação r
distantes como:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2}}

Onde a constante k
é a constante de Coulomb, k
\u003d 8,99 × 10 ^{9 Nm 2 /C 2.}

A unidade SI para força elétrica é a Newton (N), assim como ocorre com todas as forças. A direção do vetor de força é na direção da outra carga (atraente) para cargas opostas e distante da outra carga (repulsiva) se as cargas forem as mesmas.

Lei de Coulomb, assim como a força da gravidade entre dois massas, é uma lei do quadrado inverso. Isso significa que ele diminui conforme o quadrado inverso da distância entre duas cargas. Em outras palavras, cargas que estão duas vezes mais afastadas experimentam um quarto da força. Mas enquanto essa carga diminui com a distância, ela nunca chega a zero e tem alcance infinito.

Para encontrar a força em uma determinada carga devido a várias outras cargas, use a lei de Coulomb para determinar a força na carga. devido a cada uma das outras cargas individualmente e, em seguida, você adiciona a soma vetorial das forças para obter o resultado final.
Por que a lei de Coulomb é importante?

Eletricidade estática: a lei de Coulomb é a razão pela qual você obtém chocado ao tocar uma maçaneta depois de atravessar o tapete.

Quando você esfrega os pés no tapete, os elétrons se transferem por atrito, deixando-o com uma carga líquida. Todas as cobranças em excesso sobre você se repelem. Quando sua mão alcança a maçaneta da porta, um condutor, esse excesso de carga dá um salto, causando um choque!

A força elétrica é muito mais poderosa que a gravidade: embora existam muitas semelhanças entre a força elétrica e a gravitacional força, a força elétrica tem uma força relativa de 10 vezes 36 vezes a da força gravitacional!

A gravidade só parece grande para nós, porque a terra na qual estamos presos é muito grande e a maioria dos itens é eletricamente neutro, o que significa que eles têm o mesmo número de prótons e elétrons.
átomos internos: A lei de Coulomb também é relevante para as interações entre núcleos atômicos. Dois núcleos com carga positiva se repelirão devido à força coulombiana, a menos que estejam próximos o suficiente para que a força nuclear forte (que faz com que os prótons atraiam, mas só atue em um intervalo muito curto) vença.

Isso é por isso que é necessária alta energia para que os núcleos se fundam: as forças repulsivas iniciais precisam ser superadas. A força eletrostática também é a razão pela qual os elétrons são atraídos para os núcleos atômicos e é por isso que a maioria dos itens é eletricamente neutra.
Polarização: Um objeto carregado, quando aproximado do objeto neutro, causa nuvens de elétrons ao redor os átomos no objeto neutro para se redistribuir. Esse fenômeno é chamado polarização
.

Se o objeto carregado foi carregado negativamente, as nuvens de elétrons são empurradas para o lado mais distante dos átomos, fazendo com que as cargas positivas nos átomos fiquem um pouco mais próximas do que as cargas negativas no átomo. (O oposto ocorre se for um objeto carregado positivamente e aproximado.)

A lei de Coulomb nos diz que a força da atração entre o objeto carregado negativamente e as cargas positivas no objeto neutro será ligeiramente mais forte do que a força repulsiva entre o objeto carregado negativamente e o objeto neutro devido às distâncias relativas entre as cargas. Como resultado, mesmo que um objeto seja tecnicamente neutro, ainda haverá atração. É por isso que um balão carregado adere a uma parede neutra!
Exemplos para estudar

Exemplo 1: Uma carga de + 2_e_ e uma carga de -2_e_ são separadas por uma distância de 0,5 cm. Qual é a magnitude da força de Coulomb entre eles?

Usando a lei de Coulomb e certificando-se de converter cm para m, você obtém:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d ( 8,99 \\ times 10 ^ 9) \\ frac {(2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19}) (- 2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19})} {0.005 ^ 2} \u003d -3.69 \\ times 10 ^ {-23} \\ text {N}

O sinal negativo indica que essa é uma força atrativa.

Exemplo 2: Três cargas ficam nos vértices de um triângulo equilátero. No vértice inferior esquerdo, há uma carga -4_e_. No vértice inferior direito, há uma carga de + 2_e_, e no vértice superior, uma carga de + 3_e_. Se os lados do triângulo são 0,8 mm, qual é a força líquida na carga + 3_e_?

Para resolver, você precisa determinar a magnitude e a direção das forças devidas a cada carga individualmente e, em seguida, usar adição de vetor para encontrar o resultado final.

Força entre a carga -4_e_ e + 3_e_:

A magnitude dessa força é dada por:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8,99 \\ vezes 10 ^ 9) \\ frac {(- 4 \\ vezes 1,602 \\ times10 ^ {- 19}) (3 \\ vezes 1,602 \\ times10 ^ {- 19})} {0,0008 ^ 2} \u003d -4,33 \\ times 10 ^ {- 21} \\ text {N}

Como essas cargas possuem sinais opostos, essa é uma força atraente e aponta ao longo do lado esquerdo do triângulo em direção à carga -4_e_.

A força entre a carga + 2_e_ e + 3_e_:

A magnitude dessa força é dada por:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8,99 \\ vezes 10 ^ 9) \\ frac {(2 \\ vezes 1,602 \\ times10 ^ {- 19}) (3 \\ vezes 1,602 \\ times10 ^ {- 19})} {0,0008 ^ 2} \u003d 2,16 \\ vezes 10 ^ {- 21} \\ text {N}

Como essas cargas têm o mesmo sinal, essa é uma força e pontos repulsivos diretamente longe da carga + 2_e_.

Se você assume um sistema de coordenadas padrão e divide cada vetor de força em componentes, obtém:

Adicionando x
e y - componentes fornece:

Você então usa o teorema de Pitágoras para encontrar a magnitude da força:
F_ {net} \u003d \\ sqrt {(- 3.245 \\ times 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1,88 \\ vezes 10 ^ {- 21}) ^ 2} \u003d 3,75 \\ vezes 10 ^ {- 21} \\ text {N}

E a trigonometria fornece a direção:
\\ theta \u003d \\ tan ^ {- 1} \\ frac {F_ {noventa}} {F_ {netx}} \u003d \\ tan ^ {- 1} \\ frac {(- 1,88 \\ vezes 10 ^ {- 21})} {(- 3,245 \\ times 10 ^ {- 21})} \u003d 30

A direção está 30 graus abaixo do eixo negativo x
(ou 30 graus abaixo da horizontal à esquerda.)