Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Lei de Coulomb


A lei de Coulomb é um princípio fundamental na eletrostática, um ramo do eletromagnetismo. Esta lei descreve a força entre duas partículas carregadas estacionárias. É essencial para compreender o comportamento das cargas elétricas no universo. Nomeada em homenagem ao físico francês Charles-Augustin de Coulomb, que publicou esta lei pela primeira vez em 1785, esta lei desempenha um papel semelhante à lei de gravitação universal de Newton, mas em termos elétricos.

O que é a lei de Coulomb?

A lei de Coulomb afirma que a magnitude da força eletrostática de interação entre duas cargas puntiformes é proporcional ao produto das magnitudes das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A força também é dirigida ao longo da linha que une as duas cargas.

F = k * |q1 * q2| / r²

Onde:

  • F é a magnitude da força entre as cargas.
  • k é a constante de Coulomb, aproximadamente 8.9875 × 10⁹ N m²/C².
  • q1 e q2 são as quantidades das cargas.
  • r é a distância entre os centros das duas cargas.

Entendendo a fórmula

A fórmula expressa que a força aumenta com o aumento dos valores das cargas e diminui com o quadrado da distância entre elas. Esta relação inversa ao quadrado é comum na física, como visto na força da gravidade.

Direção da força

A lei de Coulomb indica não apenas a magnitude da força, mas também a direção. Se as cargas forem ambas positivas ou ambas negativas, elas se repelem. Se uma carga for positiva e a outra for negativa, elas se atraem.

Exemplo visual

Considere duas partículas carregadas Q1 e Q2 separadas por uma distância r:

Q1 Q2 R

Se as cargas de Q1 e Q2 forem iguais, então as forças agindo em cada carga são dirigidas para longe uma da outra. Se suas cargas forem opostas, então as forças são dirigidas uma em direção à outra.

Um exemplo do mundo real

Suponha que você tem dois balões esféricos esfregados em um suéter. Cada balão fica carregado devido à transferência de elétrons quando entram em contato com o suéter e entre si. Imagine os balões como tendo cargas Q1 e Q2. Se forem aproximados um do outro, você notará uma força entre eles, que é uma manifestação da lei de Coulomb.

Unidade de carga

A unidade padrão de carga é o coulomb (C). Um coulomb é aproximadamente igual à carga de 6.242 × 10¹⁸ elétrons. A carga é quantizada, o que significa que existe em pacotes discretos, e a carga dos elétrons é um desses pacotes.

Importância da constante de Coulomb

A constante k, conhecida como a constante de Coulomb, representa a força eletrostática entre duas cargas puntiformes em um espaço livre de vácuo. Seu valor pode variar dependendo do meio em que as cargas estão localizadas. Por exemplo, água e vidro têm propriedades dielétricas que podem reduzir o valor efetivo de k.

Natureza vetorial da força eletrostática

A lei de Coulomb é frequentemente expressa na forma vetorial para indicar a direção e a magnitude da força. A forma vetorial pode ser particularmente útil ao calcular forças em espaços tridimensionais.

F = k * q1 * q2 * (r / r³)

Onde F representa o vetor força, e r é o vetor separando as duas cargas. A divisão por r³ garante que o componente direcional cuidadoso seja considerado juntamente com a distância.

Princípio da superposição

Quando várias cargas estão presentes, a força eletrostática total em uma carga particular é a soma vetorial das forças exercidas por todas as outras cargas. Esta propriedade aditiva é conhecida como o princípio da superposição.

Exemplo com múltiplas cargas

Imagine que três partículas carregadas Q1, Q2, e Q3 estão presentes em um espaço:

Q1 Q2 Q3

As forças em Q1 devido a Q2 (F 12) e Q3 (F 13) devem ser somadas vetorialmente para encontrar a força resultante em Q1.

F 1 = F 12 + F 13

Limitações da lei de Coulomb

A lei de Coulomb assume cargas puntiformes, o que significa que é mais precisa quando os tamanhos dos corpos carregados são desprezíveis em comparação com a distância entre eles. Se essa condição não for atendida, métodos mais avançados envolvendo teoria de campo podem ser necessários. A lei também não se aplica com precisão a cargas em movimento, onde os efeitos magnéticos tornam-se importantes.

Contexto histórico

Investigações sobre a natureza das forças elétricas foram realizadas antes da lei de Coulomb e envolveram muitos outros luminares, como Benjamin Franklin e Michael Faraday. O trabalho de Coulomb ajudou a formalizar e quantificar observações experimentais anteriores em uma estrutura matemática coerente.

Importância na física moderna

A lei de Coulomb fundamenta grande parte da teoria elétrica moderna, servindo como um alicerce para o desenvolvimento do potencial elétrico, campos elétricos e muito mais. É importante nos campos da química e física atômica, onde descreve as forças na configuração eletrônica ao redor dos átomos.

Combinando abordagens clássicas e quânticas

Na mecânica quântica, as forças são frequentemente calculadas em termos de campos e seus potenciais, mas os princípios da lei de Coulomb persistem na explicação das forças na escala atômica. Por exemplo, as interações entre elétrons nos orbitais atômicos e prótons no núcleo podem ser analisadas usando a forma quântica da lei de Coulomb.

Resumo

A lei de Coulomb é uma estrutura simples mas abrangente que rege as interações eletrostáticas entre partículas carregadas. Sua forma matemática tem aplicabilidade universal em todas as escalas, desde partículas subatômicas até objetos macroscópicos. Seus princípios lançaram as bases para grande parte da física clássica e moderna de hoje.


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