Campo elétrico
O campo elétrico descreve como as cargas-fonte alteram o espaço à sua volta. Depois de conhecido o campo, a força sobre qualquer carga de teste segue imediatamente. Isto separa as propriedades das fontes da carga usada para as sondar.
Campo significa força por unidade de carga positiva
E⃗ = F⃗/q, portanto F⃗ = qE⃗
A unidade SI é N·C⁻¹, equivalente a V·m⁻¹. A direção de E⃗ é definida como a direção em que uma carga de teste positiva seria empurrada. Uma carga negativa sente uma força oposta a E⃗.
Campo de uma carga pontual
E = k|Q|/r², k = 8,9875517923 × 10⁹ N·m²·C⁻²
A dependência do inverso do quadrado significa que duplicar a distância reduz o módulo do campo para um quarto. O sinal de Q determina se a direção é para dentro ou para fora.
Campo de uma carga pontual
Módulo para uma carga pontual: E = k|q|/r².
Sobreposição: os campos somam-se como vetores
Para várias cargas-fonte, determina o campo produzido por cada fonte no ponto de observação como se as outras não estivessem presentes e soma depois todos os vetores de campo. A simetria pode simplificar muito o cálculo.
Não somes os módulos, a menos que todos os vetores de campo apontem efetivamente na mesma direção.
Como ler linhas de campo
As linhas de campo são uma representação, não fios físicos. Saem de cargas positivas e terminam em cargas negativas ou prolongam-se até ao infinito. O campo elétrico é tangente a uma linha de campo em cada ponto, e uma maior densidade de linhas representa um campo mais intenso.
As linhas de campo nunca se cruzam: um ponto do espaço não pode ter duas direções diferentes do campo elétrico no mesmo instante.
O número de linhas desenhadas é uma convenção, por isso não contes linhas individuais como se fossem objetos físicos. O que importa é o padrão: a tangente fornece a direção e a densidade relativa das linhas traduz a intensidade relativa do campo.
Campos, forças e movimento
Depois de conhecido E⃗, a força elétrica sobre uma partícula carregada é qE⃗. Se a força elétrica dominar, a aceleração é a⃗ = qE⃗/m. Como q pode ser positiva ou negativa, duas partículas no mesmo campo podem acelerar em direções opostas.
O campo é uma propriedade da configuração das fontes; alterar a carga de teste muda a força sobre essa carga, não o campo preexistente das fontes.
Em equilíbrio eletrostático, o campo elétrico no interior do material condutor é nulo; caso contrário, as cargas livres continuariam a mover-se. O excesso de carga fica na superfície do condutor e o campo imediatamente no exterior é perpendicular a essa superfície. Os condutores constituem, assim, um caso limite útil para verificar o raciocínio sobre campos.
Exemplos resolvidos
1. Campo de uma carga pontual
Determina o módulo do campo elétrico a 0,20 m de uma carga pontual de +3,0 nC.
Solução
E = k|q|/r² = (8,99 × 10⁹)(3,0 × 10⁻⁹)/(0,20)² ≈ 674 N·C⁻¹, dirigido para longe da carga positiva.
2. Força sobre uma carga de teste
Uma carga de −2,0 μC é colocada num campo uniforme de 300 N·C⁻¹ dirigido para leste. Que força elétrica atua sobre ela?
Solução
F⃗ = qE⃗. O módulo é 2,0 × 10⁻⁶ × 300 = 6,0 × 10⁻⁴ N. Como q é negativa, a força aponta para oeste, no sentido oposto ao campo.
3. Ponto médio entre cargas positivas iguais
Qual é o campo elétrico resultante exatamente a meio caminho entre duas cargas pontuais positivas iguais?
Solução
Os dois campos têm o mesmo módulo no ponto médio e apontam em direções opostas, pelo que o campo resultante é nulo. Os campos individuais não são nulos; cancelam-se vetorialmente.