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Medindo a força elétrica de repulsão

Estratégias de ensino-aprendizagem

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Quando falamos de força elétrica, já temos a noção de que duas cargas elétricas exercem forças entre si, ora sendo uma força de atração (cargas de sinais diferentes) e ora sendo uma força de repulsão (cargas de sinais iguais). Também podemos dizer que a intensidade da força entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valores das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.

O experimento, que utiliza materiais de baixo custo, tem por objetivo básico medir a força elétrica de repulsão entre cargas de mesmo sinal. O experimento pode ser realizado em sala de aula com a participação em grupo dos alunos.

Material utilizado

Duas bolinhas de isopor pequena
Papel alumínio
Linha e agulha de costura
Fita adesiva
Varinha de madeira
Régua de plástico
Tecido de lã ou papel-manteiga


Montagem do experimento

Amarre nas duas bolinhas de isopor um pedaço de linha de no máximo 30 cm de comprimento. Utilizando a fita adesiva, prenda a ponta da linha na bolinha de isopor e em seguida cubra-a com o papel alumínio. Amarre a outra extremidade da linha na varinha de madeira de modo que fique como na figura abaixo:

Bolinhas de isopor não eletrizadas
Bolinhas de isopor não eletrizadas

É importante cobrir toda a superfície das bolinhas com papel alumínio, pois ele é condutor, e assim teremos uma superfície esférica condutora na qual as cargas se distribuirão uniformemente.

Após pendurar as duas bolinhas de modo que elas fiquem encostadas uma na outra, carregue a régua e encoste-a nas bolinhas. Observe que as bolinhas se afastam. Se necessário, repita o processo de carregar a régua e encostá-la nas bolinhas até que elas se afastem como na ilustração abaixo.

Bolinhas eletricamente carregadas com cargas de mesmo sinal
Bolinhas eletricamente carregadas com cargas de mesmo sinal

Você pode medir a intensidade da força elétrica que age entre as bolinhas, se medir a distância entre elas após serem carregadas. Para fazer isso você pode usar uma régua (descarregada) e medir a distância entre as duas linhas antes e depois de carregar as bolinhas. Tome cuidado para não tocar com a régua nos fio e nem nas bolinhas.

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É possível calcular a força elétrica a partir dessa medida, lembrando que esse sistema está em equilíbrio mecânico. Agora façamos o diagrama de corpo livre para uma das bolinhas, levando em conta as forças T (tração na corda), Fe (força elétrica) e o peso P da bolinha. Na figura abaixo, mostramos o esquema de forças:

Esquema das forças que atuam sobre uma das bolas.
Esquema das forças que atuam sobre uma das bolas.

O ângulo ? pode ser calculado a partir da distância x entre as bolinhas, o comprimento L dos fios, e a definição de tangente: tg = x/2L.
Escrevendo as equações para os componentes x e y das forças, obtemos o seguinte:

Fazendo a junção dessas duas equações, temos:

Se tivermos o valor da massa m da bolinha de isopor, podemos fazer o cálculo da força elétrica Fe. A quantidade de cargas que essa bolinha possui pode ser obtida se supusermos que a carga foi repartida igualmente entre as bolinhas.

Como conhecemos o valor de Fe e da distância entre as bolinhas, e sabemos que essa força é a força de repulsão entre elas, dada por

podemos calcular o valor de Q2 (Q1=Q2=Q). Extraindo a raiz quadrada, encontramos o valor da carga em coulombs. Com esse valor, você pode calcular o número de elétrons que é necessário remover da bolinha, para que ela adquira esta carga.

Por Domiciano Marques
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

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