Carga elétrica

O módulo da carga de um elétron é 1.602176634 × 10⁻¹⁹ coulomb, então um coulomb corresponde ao módulo da carga de cerca de 6.24 bilhões de bilhões de elétrons.

Por que um balão esfregado gruda na parede

Esfregue um balão em um suéter de lã e ele ficará preso à parede sozinho. O filme plástico adere à tigela, uma meia sai da secadora grudada em uma camisa, e um pente passado no cabelo seco atrai pedacinhos de papel. Há milhares de anos, as pessoas já observavam algo parecido com o âmbar, uma resina fóssil de árvores: quando polido, ele atrai pedaços de palha. A palavra elétrico vem do nome grego do âmbar, elektron. Todos esses efeitos são causados pela carga elétrica. Em cada caso, a carga apareceu ao esfregar dois materiais.

Dois tipos de carga

Experimentos com bastões eletrizados por atrito mostram que existem exatamente dois tipos de carga. Esfregue dois bastões de vidro com seda e pendure-os perto um do outro: eles se afastam. Os dois panos de seda também se afastam. Mas um bastão de vidro e um pano de seda se atraem. Benjamin Franklin chamou os dois tipos de positivo e negativo. A regra é curta: cargas de mesmo sinal se repelem; cargas de sinais opostos se atraem. A força diminui com a distância entre as cargas. Por isso o balão precisa encostar, ou quase encostar, na parede.

De onde vem a carga? Todo átomo tem um núcleo com prótons positivos e, na maioria dos átomos, nêutrons sem carga, cercado de elétrons negativos. Um átomo comum tem tantos elétrons quanto prótons; sua carga total é zero, e dizemos que ele é neutro. Os prótons ficam presos no núcleo, mas alguns elétrons estão pouco ligados ao átomo. O atrito transfere elétrons de uma superfície para outra. Quando o âmbar é esfregado com seda, ele ganha elétrons e fica negativo; a seda perde elétrons e fica positiva. Nada é criado: a carga apenas muda de lugar.

Quanto de carga? O coulomb

A carga é medida em coulombs, com símbolo C. A menor carga livre encontrada na matéria comum é a de um próton, chamada carga elementar e. Desde 2019, seu valor é fixado de forma exata: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Um elétron tem carga −e e um próton, +e. Como a carga de cada elétron é uma fração minúscula de um coulomb, um coulomb corresponde a um número enorme de elétrons: 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. A carga de um objeto sempre corresponde a um número inteiro de cargas e. Ela pode ser 3e ou 1 000 000e, mas nunca 2.5e. Na física, dizemos que a carga é quantizada.

A segunda regra é a conservação da carga: a carga total de um sistema isolado nunca muda. Ao esfregar o balão no cabelo, ele ganha exatamente tanta carga negativa quanto o cabelo ganha de carga positiva. Somando as duas, o resultado continua sendo zero. Nunca se observou uma violação dessa regra, seja com balões esfregados, seja em colisões de partículas.

Condutores e isolantes

Nos metais, alguns elétrons não estão presos a nenhum átomo específico. Esses elétrons livres podem percorrer toda a peça de metal, permitindo que a carga se mova com facilidade. Materiais assim são condutores: cobre, alumínio, prata e ouro são bons exemplos. No plástico, na borracha, no vidro e no ar seco, quase todos os elétrons ficam com seus átomos, e a carga quase não se move. Esses materiais são isolantes. Um cabo doméstico usa os dois: cobre por dentro para conduzir a carga e plástico por fora para impedir que ela chegue à sua mão. A eletrização por atrito funciona melhor em isolantes porque a carga transferida fica onde foi colocada, em vez de se espalhar.

Da carga parada à carga em movimento

Um balão esfregado mantém sua carga até encostar em alguma coisa. Uma bateria funciona de outro jeito: ela mantém a carga circulando por um caminho fechado de fio. No laboratório de circuitos abaixo, os pontos azuis representam elétrons em movimento no fio. O visor informa quantos coulombs passam pela bateria a cada segundo e converte esse valor em número de elétrons.