Electrostática (parte 1): Introdução "Carga e a Lei de Coulomb".

Introdução "Carga e a Lei de Coulomb". (video feito em Maio de 2008 que eu esqueci de fazer upload)

Vamos falar sobre o que eu acho ser uma das

mais misteriosas forças do universo.

apesar de achar que todas as forças do universo

são misteriosas. Então vamos falar

um pouco sobre cargas.

Nós todos temos ouvido falar de cargas

"carregar a bateria"...

"essa partícula foi carregada"...

Mas o que carga significa, é

que existe uma propriedade chamada carga.

E nós sabemos que algo contém uma carga positiva

e chamar de positiva é arbitrário.

Não é que prótons têm um pequeno + escrito neles,

poderíamos chamá-los de negativo.

Mas quando alguma coisa tem carga positiva

e outra coisa tem também carga positiva então

elas se repelem.

E também sabemos que se tivermos outra partícula,

com carga negativa, e mais uma vez,

o termo negativo é

totalmente arbitrário.

Poderíamos chamá-los de carga azul e carga vermelha,

mas sabemos que quando outra partícula tem a outra carga,

nessa caso chamamos de negativa,

ela vai ser atraída pela carga positiva.

Então, o que sabemos sobre carga?

Carga é uma propiedade que tem partículas e se você colocar

particulas suficientes juntas, eu encontro objetos

que têm a propriedade.

Então é só uma propriedade.

E isso é uma maneira de dizer que eu realmente

não sei o que ela é.

E francamente,

ninguém sabe o que ela é.

Atualmente, realmente ninguém sabe de nada.

Mas carga é uma propiedade de partículas

e objetos, assim como massa.

Quero dizer, se você pensar sobre isso, massa é apenas uma propiedade.

E até certo ponto, isso parece um pouco mais real do que carga,

por que nosso cérebro estão ligados para de alguma maneira

compreender o que é massa, mas estamos provavelmente compreendendo

peso e volume mais do que massa,

mas podemos pensar mais sobre isso em outra hora.

Carga é um pouco mais abstrato por que,

antes começamos esfregando âmbar em nosso cabelo,

Nós realmente não experimentamos grande carga a menos que fôssemos atingido por um raio.

Então carga é uma propiedade que partículas e objetos tem, e sabemos que existe dois tipos de carga,

que temos nomeado

arbitrariamente positivo e negativo.

E nós sabemos que cargas iguais se repelem

e cargas opostas se atraem, ou cargas diferentes se atraem, certo?

Então, o que podemos fazer com isso?

Bem, se temos esta propriedade, eu acho que uma coisa útil

seria medir a propriedade,

e nós vimos anteriormente as unidades, e assim a unidade de carga é chamada

de Coulomb.

Foi nomeada em homenagem a um cientista do final do século XVIII,

que brincou um bocado com cargas.

Você poderia olhar mais sobre ele no Wikipédia.

Mas é chamado de Coulomb,

e o Coulomb existe um monte de definições,

mas eu gosto de pensar nisso em termos de partículas elementares, apenas por que até certo ponto...

a menos que você vai entrar na teoria quântica e começar falar sobre

quarks e essas coisas, a carga elementar é

a carga em um próton ou um nêutron.

Então eu irei entrar em mais detalhes no futuro

e efetivamente na estrutura de átomos e tudo mais,

mas deixe-me desenhar um pequeno exemplo.

Então um átomo tende a ter alguns nêutrons neles,

que não tem essa propriedade de carga.

Irá ter alguns prótons neles,

que possuem uma carga positiva.

Mais uma vez, isso é meio que definido

arbitrariamente como positivo.

Nós poderíamos ter chamado de carga vermelha.

e então teria essas coisas flutuando em volta disso que são muito mais leve que,

muito, muito mais leve que os prótons e os nêutrons no núcleo,

e estes são chamados elétrons.

Não é nem mesmo claro se eles são objetos reais.

Eles são quase como energia,

mas as vezes é útil visualizá-los como objetos.

e as vezes é útil visualizá-los como...

Bem, não como objeto.

E nós vamos ver tudo isto mais tarde,

mas elétrons tem uma carga negativa.

e a unidade fundamental de carga, na maneira em que estamos interessados

neste momento antes de começarmos a falar sobre quarks

e outras partículas subatômicas...

é a carga em um elétron ou próton.

E eles têm exatamente a mesma carga,

e esta carga elementar é indicada por "e".

E para ser franco, eu não estou certo se "e"

denota elementar ou se "e" denota elétron.

Mas de fato, "e" é igual a carga de um próton por isso provavelmente

indica a carga elementar de um próton.

E a carga de um elétron é a negativa dessa,

então "e" negativo é a carga de um elétron.

Mas se não nos preocupamos com sinal, então

as magnitudes são a mesma.

Portanto isso é fundamental tanto quanto nós sabemos até o momento

em nossa física.

Essa é a carga fundamental.

A unidade fundamental de carga é apenas a carga em um próton

ou nêutron.

Então como é que um Coulomb se relaciona com isso?

Bem, um Coulomb, que iremos indicar com "C", é igual à...

e isto é um pouco de um número arbitrário,

mas quando começamos fazer coisas com eletricidade, vamos ver como Coulomb

foi definido da maneira que é, mas um Coulomb é 6,24 vezes 10

elevado à 18 "e".

Ou você pode dizer que 6,24 vezes 10 elevado à 18 vezes

a carga de um elétron. Na realidade, vezes de carga

em um próton, e então, é claro, em termos de magnitude.

Por que se eu apenas dizer Coulomb, eu não estou

realmente indicando uma direção.

Então se você olhar para isso de outra maneira, você pode dizer que a carga elementar é igual a...

pelo menos a sua magnitude...

1,6 vezes 10 elevado à menos 19 Coulomb.

Então com certeza...

Este pode ser um número útil para memorizar,

mas ele normalmente será fornecido para você de algum modo.

Então o que nós podemos fazer?

Nós dizemos que estes objetos tem esta propriedade chamada carga.

Cargas iguais se repelem.

Cargas opostas se atraem.

Se nós temos suficiente desses prótons juntos,

então o objeto inteiro tem carga.

Se temos mais prótons que elétrons, então nós temos

uma carga positiva.

Se temos mais elétrons que prótons, nós

temos uma carga negativa.

E sabemos que temos definido estas unidades

de carga chamada de Coulomb, que é um monte de carga fundamental.

Então vamos brincar com isso e ver

se podemos medir esta carga.

Então a parte inicial . Eu acho que poderiamos chamar isto...

a definição do que carga é, eu disse que

cargas iguais se repelem, certo?

Cargas iguais se repelem, assim ambas são positivas.

Elas vão se repelir uma a outra.

E cargas diferentes, se esta é negativa, esta é positiva,

elas vão atrair uma a outra, certo?

Então por definição, se elas estão movendo uma à outra,

estas duas partículas vão acelerar

para longe da outra.

Estas duas partículas vão acelerar

para junto da outra.

A carga entre essas duas partículas ou a carga

em cada uma dessas partículas, deve estar gerando algum

tipo de força, certo?

Se não existisse uma força sendo gerada, então elas não poderia

repelir ou atrair uma a outra,

e nisto é onde conseguimos a Lei de Coulomb...

E isto é por que nomeamos Cargas de Coulomb.

Coulomb descobriu que a força entre duas cargas é

igual à... e isso vai ser uma grandeza vetorial, e em cerca de 30 segundos, Irei dizer para você

e em cerca de 30 segundos, Irei dizer para você

o que acontece com a direção... é igual à algumas vezes a constante

da primeira carga vezes a segunda carga dividido pela distância

entre eles ao quadrado.

E isto é bastante legal, por que isto parece muito terrível,

Então se chamamos isso de força, a força elétrica,

que se parece muito com a equação de força gravitacional.

deixe-me escrever aqui em baixo.

A força da gravidade entre duas massas é igual à constante gravitacional

vezes m1 vezes m2 dividido pela

distância entre eles ao quadrado.

Até agora, as duas forças que nós abordamos, gravidade e agora estamos abordando

força elétrica e vamos eventualmente

extrapolar isto para a força eletromagnética,

parece que eles tipo agem em distância de uma maneira similar,

e ambos destas forças aplicadas em um vácuo.

Então não importa se você não tem ar, se você não tem

substância entre as duas partículas,

de alguma forma elas estão se comunicando umas com as outras,

que eu acho tipo surpreendente, certo?

Você pode ter "nada" entre essas duas partículas, mas de alguma maneira,

esta partícula sabe que esta partícula esta lá

e que esta partícula que sabe que esta lá,

e elas começam a se mover sem ter nada... não é como ter

um fio conectando uns aos outros e

e alguém esta dizendo a outra partícula, "Ei, existe uma partícula aqui.

Comece a se mover!"

Então, não sei se você acha que é tão incrivel como eu,

mas pense sobre isso... e você pode.

E isto é apenas como gravidade.

Quero dizer, as duas massas não estão de certa forma conectadas.

Elas poderia estar sentadas em um vácuo,

mas de certo modo, elas sabem que existe outra partícula ali

E quando começarmos a aprender sobre relatividade especial e tudo mais,

Iremos aprender que não existe nada lá, mas talvez as massas estão na realidade

de alguma maneira moldando o universo.

E talvez isso esteja acontecendo

com as cargas elétricas também.

Mas tudo que sabemos até o momento é que elas têm essas cargas

e elas exercem uma força entre elas que é proporcional

ao produto de sua respectiva carga dividida

pelo quadrado da distância entre elas.

E esta constante bem aqui, que é... Eu sempre esqueço isso.

O que era isso?

Eu acho que isto é 6... Eu sempre esqueço qual que é a constante.

Ela é 9 vezes 10 elevado 9.

Ok, que isto é arrendondado, é claro.

Eu ficaria impressionado se fosse exatamente 9.

9 vezes 10 elevado a 9, e as unidades são

Newton-metro quadrado por Coulomb ao quadrado.

E por que são estas as unidades?

Bem, muito bem, por que no final, nós temos Coulomb,

Coulomb, então nós iremos ter Coulomb ao quadrado dividido

por metro quadrado, e queremos finalizar com Newton,

então queremos cancelar o Coulomb ao quadrado

colocando- o no denominador.

Queremos cancelar o metro quadrado colocando-o no numerador

e então iremos terminar com o Newton para obter a força,

então isto é apenas de onde as unidades vêm.

Assim dado que, vamos descobrir a

força entre duas partículas.

Então vamos dizer eu tenho... e eu gastei 10 minutos com explicação bastante longa

mas nos problemas reais, você irá ver

em sua aula de física são bastante simples

quando se trata da Lei de Coulomb.

Então eles irão dizer, "Ei, nós temos um positivo

nós temos uma partícula aqui que tem uma carga positiva de +

deixe-me pensar num número bom... mais 5 vezes 10 elevado à menos 3 Coulomb,

então isso é uma carga positiva.

E então nós temos uma carga negativa aqui, então vamos dizer que...

Eu não sei.

A que distância irei colocá-las?

Vamos dizer que eles estão a meio metro de distância, 0,5 metro de distância,

E então eles tem uma carga negativa aqui que menos 10

vezes 10 elevado à menos, não sei... menos 2 Coulomb.

Então qual é a força entre essas duas partículas?

Então se nós apenas as substituímos na equacão de Coulomb,

nós obtemos a força devida à eletricidade.

Devida à força elétrica.

Não devida à eletricidade!

Não fizemos isso ainda.

A força elétrica estática entre essas duas partículas é igual à constante

9 vezes 10 elevado à 9 vezes a primeira carga

vezes 5 vezes 10 elevado à menos 3 vezes a segunda carga

deixe-me fazer isso numa cor diferente... vezes menos 10 vezes 10 elevado à menos 2

Eu apenas reescrevi isso. Apesar de provavelmente você não poder ver isso,

Dividido pela distância

ao quadrado, então 0,5 ao quadrado.

Nós apenas atribuímos à esta fórmula.

Assim que é igual... deixe-me ver...

Então 9 vezes 0,5 vezes 10.

Eu estou apenas resolvendo o 10 separadamente.

Então isso é vezes menos 10.

Isto é 0,5 vezes menos 10 é menos 5 vezes 9 é menos 45,

e então 10 elevado à 9 menos 3, então 10 elevado à 6 e então menos 2,

então 10 elevado à 4...

vezes 10 elevado à 4... dividido por... e quanto dá 0,5 ao quadrado?

É 0,25, certo?

E isto é igual a quê?

Isto é igual a 4 vezes superior à isto, 160, mais isto é igual à

menos 180 vezes 10 elevado à 4 Newton.

E realmente, isto pode parecer como um número grande,

mas essas cargas que eu coloquei aqui são realmente cargas razoavelmente grandes.

e espero que você obtenha um sentido para o que é uma grande

ou uma pequena carga depois.

mas estas são razoavelmente cargas grande, e então isto é por que existe

uma força grande relativa exercendo entre

essas duas partículas.

Agora, temos um número negativo, então o que isso significa?

Bem, nos sabemos que partículas opostas se atraem, certo?

Quase que por definição.

Neste caso, nós temos um positivo e um negativo,

então quando acabamos com uma força negativa quando nós usamos a Lei de Coulomb,

quer dizer que a força irá atrair as duas partículas

umas as outras ao longo da menor distância entre elas.

Eu quero dizer, isto não vai fazer elas ir em uma curva.

Isto meio que faz sentido.

Se nós temos um positivo ali, quer dizer que a força estava

repelindo as duas partículas.

E se você já se confundiu, apenas pense sobre isso.

Se elas são ambas negativas, elas vão se repelir.

Se elas são ambas positivas vão se atrair.

Eu irei ver você no próximo vídeo.