Força entre cargas pontuais

No século XVIII Benjamin Franklin descobriu que as cargas elétricas colocadas na superfície de um objeto metálico podem produzir forças elétricas elevadas nos corpos no exterior do objeto, mas não produzem nenhuma força nos corpos colocados no interior. No século anterior Isaac Newton já tinha demonstrado de forma analítica que a força gravítica produzida por uma casca oca é nula no seu interior. Esse resultado é consequência da forma como a força gravítica entre partículas diminui em função do quadrado da distância. Concluiu então Franklin que a força elétrica entre partículas com carga deveria ser também proporcional ao inverso do quadrado da distância entre as partículas. No entanto, uma diferença importante entre as forças elétrica e gravítica é que a força gravítica é sempre atrativa, enquanto que a força elétrica pode ser atrativa ou repulsiva:
• A força elétrica entre duas cargas com o mesmo sinal é repulsiva.
• A força elétrica entre duas cargas com sinais opostos é atrativa.
Vários anos após o trabalho de Franklin, Charles Coulomb fez experiências para estudar
com precisão o módulo da força eletrostática entre duas cargas pontuais.

Figura 1.4.: Duas cargas pontuais, separadas por uma distância r.

A lei de Coulomb estabelece que o módulo da força elétrica entre duas cargas pontuais
é diretamente proporcional ao valor absoluto de cada uma das cargas, e inversamente
proporcional à distância ao quadrado

onde r é a distância entre as cargas (figura 1.4), q₁ e q₂ são as cargas das duas partículas, k é uma constante de proporcionalidade designada de constante de Coulomb, e K é a constante dielétrica do meio que existir entre as duas cargas. A constante dielétrica do vácuo é exatamente igual a 1, e a constante do ar é muito próxima desse valor; assim, se entre as cargas existir ar, K pode ser eliminada na equação 1.2. No sistema internacional de unidades, o valor da constante de Coulomb é: k = 9×10⁹ N·m² C² (1.3) Outros meios diferentes do ar têm constantes dielétricas K sempre maiores que o ar; consequentemente, a força elétrica será mais fraca se as cargas pontuais forem colocadas dentro de um meio diferente do ar.

¹Uma carga pontual é uma distribuição de cargas numa pequena região do espaço