Carga elétrica

Uma carga elétrica é uma quantidade física e uma propriedade da matéria que faz com que ela experimente uma força quando colocada em um campo eletromagnético. Existem dois tipos de carga elétrica: positiva, transmitida por prótons, e negativa, transmitida por elétrons. Se a carga total for zero, diz-se que é neutra. As mesmas cargas são repelidas e as cargas opostas são atraídas. Esses fatos são conhecidos como a Primeira Lei da Eletrostática e às vezes são chamados de lei das cargas elétricas.

Carga Elementar

A unidade de carga mais fundamental é a magnitude da carga de um elétron ou de um próton, que é denotada por e . O valor mais preciso disponível é:

e = 1,602176487 x 10 ^-19 C

Um coulomb representa o negativo da carga total de cerca de 6 x 10 ¹⁸ elétrons.

Raramente encontramos cargas tão grandes quanto um coulomb. As cargas produzidas pela fricção de objetos comuns (como um pente ou uma régua de plástico) são normalmente em torno de um microcoulomb (?C = ^10-6 C) ou menos. Em uma lâmpada comum de 100 W, por exemplo, cerca de 10 ¹⁹ cargas elementares entram na lâmpada a cada segundo e a mesma quantidade sai.

O próton tem carga + e e elétron – e . A carga é quantizada; vem em múltiplos inteiros de pequenas unidades individuais chamadas de carga elementar, eque é a menor carga que pode existir livremente (as partículas chamadas quarks têm cargas menores, múltiplos de ⅓ e, mas elas só são encontradas em combinação e sempre se combinam para formar partículas com carga inteira). O próton tem uma composição de quarks de uud e, portanto, seu número quântico de carga é:

q(uud) = 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1e.

O nêutron tem uma composição de quarks de udd, e seu número quântico de carga é, portanto:

q(udd) = 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0

Como o nêutron não tem carga elétrica líquida , ele não é afetado por forças elétricas, mas o nêutron tem uma pequena distribuição de carga elétrica dentro dele. Isso é causado por sua estrutura interna de quarks. Isso resulta em momento magnético diferente de zero (momento dipolar) do nêutron. Portanto, o nêutron interage também via interação eletromagnética, mas muito mais fraco que o próton.

Lei de Conservação de Carga Elétrica

Na física, existem dois princípios muito importantes relativos à carga elétrica.

A primeira é a lei da conservação da carga elétrica . Essa lei afirma que:

A soma algébrica de todas as cargas elétricas em qualquer sistema fechado é constante.

A única maneira de alterar a carga líquida de um sistema é trazer a carga de outro lugar ou remover uma carga do sistema. A carga pode ser criada e destruída, mas apenas em pares positivo-negativo.

A conservação da carga é considerada uma lei de conservação universal . Nenhuma evidência experimental de qualquer violação deste princípio foi observada. Na física de partículas, conservação de carga significa que em reações de partículas elementares que criam partículas carregadas, números iguais de partículas positivas e negativas são sempre criados, mantendo a quantidade líquida de carga inalterada . Mesmo em interações de alta energia nas quais partículas são criadas e destruídas, como a criação de pares pósitron-elétron , a carga total de qualquer sistema fechado é exatamente constante.

O segundo princípio importante é:

A magnitude da carga do elétron ou próton é uma unidade natural de carga.

Dizemos que a carga é quantizada . Ou seja, toda quantidade observável de carga elétrica é sempre um múltiplo inteiro dessa unidade básica. Essa unidade é chamada de carga elementar , e , aproximadamente igual a 1,602 × 10 ⁻¹⁹ coulombs (exceto para partículas chamadas quarks, que têm cargas que são múltiplos inteiros de 1⁄3 e ).

Carga Elétrica de Antipartículas

Teoricamente, uma partícula e sua antipartícula (por exemplo, um próton e um antipróton) têm a mesma massa, mas carga elétrica oposta e outras diferenças em números quânticos. Por exemplo, para cada quark existe um tipo correspondente de antipartícula. Os antiquarks têm a mesma massa, tempo de vida médio e spin que seus respectivos quarks, mas a carga elétrica e outras cargas têm o sinal oposto. Isso significa que um próton tem carga positiva enquanto um antipróton tem carga negativa e, portanto, eles se atraem. A antipartícula do elétron é chamada de pósitron; é idêntico ao elétron, exceto que carrega cargas elétricas e outras de sinal oposto. Quando um elétron colide com um pósitron, ambas as partículas podem ser totalmente aniquiladas, produzindo fótons de raios gama.

Exemplo: Carga Elétrica

Digno de nota, em quatro litros de água, há cerca de 2,1 x 10 ⁸ C de carga total de elétrons. Assim, se colocarmos duas garrafas a um metro de distância, os elétrons de uma das garrafas repelem os da outra garrafa com uma força de 4,1 x 10 ²⁶ N. Essa força tremenda é comparável à força que o planeta Terra pesaria se fosse pesado em outra Terra. Mas, como foi escrito, também existem prótons positivos e essas cargas tendem a se anular.