O que é a Lei de Coulomb e como ela é aplicada

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O engenheiro e físico francês Charles de Coulomb fez descobertas pioneiras em eletricidade e magnetismo. Ele ofereceu novas teorias sobre a força encontrada entre as cargas elétricas, demonstrando que um corpo eletricamente carregado pode exercer uma força de atração ou repulsão a distância em outro corpo carregado.

Em 1785, ele cunhou uma relação tangível em forma matemática entre dois corpos que foram carregados eletricamente. O físico desenvolveu uma equação que explica a força que faz os corpos se atraírem ou repelirem, a qual ficou conhecida como "Lei de Coulomb" ou "Lei do Inverso do Quadrado de Coulomb".

O que afirma a Lei de Coulomb?

A força de  atração e repulsão de cargas pode ser calculada pela Lei de Coulumb (Fonte: Wikimedia/Svjo/Reprodução)A força de atração e repulsão de cargas pode ser calculada pela Lei de Coulomb. (Fonte: Wikimedia/Svjo/Reprodução)Fonte:  Wikimedia/Svjo/Reprodução 

A lei de Coulomb expressa a força da interação elétrica entre duas partículas eletricamente carregadas e imóveis, permitindo o cálculo da força elétrica tanto de atração quanto de repulsão exercida entre dois objetos estacionários e carregados. Na verdade, apenas a natureza das cargas elétricas pode nos permitir identificar a natureza da força, enquanto a lei nos permite calcular a intensidade.

Segundo o físico, a magnitude da força eletrostática de atração ou repulsão entre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional ao produto da carga dos corpos carregados e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre o centro dos corpos carregados.

O espaço no qual a força é exercida é chamado de campo elétrico. Por convenção, o campo elétrico se afasta da carga positiva à medida que se move na direção da carga negativa. Assim, o campo elétrico sempre muda da carga positiva para a negativa. O campo elétrico de duas cargas do mesmo sinal opõe-se, ou seja, está orientado em direções opostas, enquanto o de duas cargas opostas se atrai.

A intensidade do campo elétrico depende da carga do objeto que o produz e da distância do objeto carregado. A equação a seguir permite calcular a intensidade do campo elétrico exercido por um corpo carregado.

Fórmula da Lei de Coulomb

A fórmula da Lei de Coulomb é utilizada para calcular a força elétrica entre 2 cargas a partir da combinação da constante eletrostática (K), cujo valor no vácuo é 9.109 N.m²/C², pelas 2 cargas elétricas (q1 e q2) multiplicadas entre si e dividida pelo quadrado da distância entre as cargas, em metros (r).

A unidade de medida das cargas elétricas utilizada no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Coulomb (C), em homenagem ao físico que realizou a formulação importante para os estudos da eletricidade. As cargas de massa e dimensão das cargas elétricas são consideradas desprezíveis na Lei de Coulomb.

No cálculo da intensidade da força elétrica, são considerados apenas os valores absolutos das cargas, desconsiderando o seu sinal negativo ou positivo. De acordo com a Terceira Lei de Newton, a força exercida pelas cargas entre si é igual em módulo, pois estão na mesma direção, mas em sentido opostos.

Gráfico da Lei de Coulomb

O gráfico representa uma força inversamente proporcional à distância, como a força de Coulomb entre uma carga pontual e uma carga linear.O gráfico representa uma força inversamente proporcional a distância, como a força de Coulomb entre uma carga pontual e outra linear.Fonte:  Wikimedia/Chanchocan/Reprodução 

A fórmula da Lei de Coulomb determina que a força elétrica entre 2 partículas carregadas é proporcional inversamente ao quadrado da distância existente entre elas. Assim, quando 2 cargas elétricas estão a uma distância "d" e mudam a sua posição para metade dessa distância (d/2), a força elétrica entre elas será quadruplicada (4F). Da mesma forma, se a distância entre as duas cargas for dobrada, a força elétrica entre elas será diminuída em 4 vezes.

A Lei de Coulomb pode ser expressa no formato de um gráfico, de força em função da distância, no qual quanto menor o espaço entre as cargas, maior a força elétrica; enquanto quanto maior for a distância, menor será a força exercida no campo elétrico.

Aplicações da Lei de Coulomb

Processo eletroestático de pintura é uma das aplicações da Lei de Coulumb. (Fonte: Pixabay/Magnascan/Reprodução)Processo eletroestático de pintura é uma das aplicações da Lei de Coulomb. (Fonte: Pixabay/Magnascan/Reprodução)Fonte:  Pixabay/Magnascan/Reprodução 

A Lei de Coulomb é aplicada no funcionamento das máquinas copiadoras, impressoras e na pintura de veículos. O processo eletrostático é o responsável pela fixação dos materiais coloridos e pelos cabelos arrepiados ao tocar em um gerador de Van de Graff.

No caso da copiadora, a máquina usa um tambor de alumínio revestido com selênio, pois a condutibilidade elétrica aumenta conforma a exposição à luz. Na primeira etapa do processo de xerografia, uma carga negativa é induzida sob uma fina camada de selênio com carga positiva.

A superfície do tambor é então exposta à imagem a ser copiada; assim, a carga positiva é neutralizada onde a imagem é brilhante, mas permanece onde a imagem é escura. Desse modo, a imagem é transferida para o cilindro.

Em seguida, um pó preto seco, chamado toner, é pulverizado com uma carga negativa, que será causada pelas áreas positivas do tambor. Um pedaço de papel em branco recebe uma carga positiva maior do que o cilindro, então puxa o toner para fora dele e, finalmente, o papel e o toner passam por rolos aquecidos que derretem e aderem permanentemente ao toner do cilindro.