Campo elétrico

O campo elétrico é uma grandeza vetorial definida em cada ponto do espaço como a força elétrica por unidade de carga positiva ali colocada, ou seja, E = F/q. Isso significa que seu módulo indica a intensidade da força que uma carga de prova unitária sofreria, sua direção é a da força e seu sentido é o mesmo da força quando q é positiva, invertendo-se para cargas negativas. Para uma carga puntiforme Q, o módulo é dado por E = k|Q|/d², com direção radial: afastando-se de Q se ela for positiva (campo de afastamento) e aproximando-se se for negativa (campo de aproximação). Como o campo é vetorial, quando há várias cargas aplica-se o princípio da superposição, somando vetorialmente os campos parciais.

O vetor campo elétrico é uma grandeza vetorial definida em cada ponto do espaço e existe independentemente de haver ou não uma carga de prova ali: o que a carga de prova faz é apenas revelar o campo, e não criá-lo. Por isso dizemos que o campo é uma propriedade do arranjo de cargas-fonte, com módulo, direção e sentido bem determinados em cada ponto. Para determiná-lo em situações reais, usa-se o princípio da superposição: o campo resultante é a soma vetorial dos campos que cada carga-fonte produziria isoladamente, o que exige decompor vetores em componentes $x$ e $y$ antes de somá-los.

Vale lembrar que $k$ vale aproximadamente $9\times10^{9}\ \text{N·m}^2/\text{C}^2$, e que o campo decai com o quadrado da distância, o que faz com que cargas próximas dominem o resultado. Como exemplo concreto, considere duas cargas $+Q$ e $-Q$ separadas por uma distância $2a$: no ponto médio do segmento que as une, os dois campos apontam no mesmo sentido (de $+Q$ para $-Q$), e o campo resultante tem módulo $E=2kQ/a^{2}$, o dobro do de cada carga — esse é o caso típico do dipolo elétrico, muito explorado em prova. Já fora do eixo, a soma vetorial exige decomposição cuidadosa.

Nos vestibulares, o tema costuma aparecer de três formas: cálculo do campo resultante em pontos de configurações com duas ou três cargas, análise qualitativa do sentido do campo em figuras (identificar onde ele é nulo, por exemplo), e a relação com o movimento de partículas carregadas, em que se combina $\vec F=q\vec E$ com a segunda lei de Newton para achar a aceleração e, em questões mais elaboradas, prever a trajetória — lembrando que, em um campo uniforme, uma carga lançada perpendicularmente às linhas de força descreve uma parábola, exatamente como um projétil no campo gravitacional.

O princípio de superposição é a ferramenta central aqui: o campo elétrico resultante em um ponto P qualquer é a soma vetorial dos campos que cada carga produziria isoladamente naquele ponto, como se as demais não existissem. Na prática, isso significa decompor cada vetor campo em componentes x e y (escolhendo eixos convenientes), somar componente por componente e só então recompor o vetor resultante por Pitágoras, tomando cuidado com o sinal algébrico de cada componente.

Vale lembrar que o campo de uma carga pontual tem módulo k|Q|/d² e aponta para longe da carga positiva e para dentro da carga negativa, de modo que o sentido de cada vetor deve ser decidido antes de somar.

Em resumo, domine a decomposição vetorial, respeite o sentido de cada campo e confira sempre se o resultado é coerente com a simetria do problema.

As linhas de força são uma representação geométrica do campo elétrico: desenhamos curvas cuja tangente, em cada ponto, coincide com a direção do vetor $\vec{E}$ ali, e cujo sentido acompanha o sentido do campo, sempre saindo das cargas positivas e entrando nas negativas. Mais do que um desenho bonito, elas revelam três propriedades físicas importantes. Primeiro, a intensidade do campo é proporcional à densidade de linhas por unidade de área perpendicular a elas, de modo que linhas apertadas indicam campo intenso e linhas espaçadas, campo fraco. Segundo, como o campo elétrico é unívoco em cada ponto do espaço, duas linhas jamais podem se cruzar nem se tocar, pois isso implicaria duas direções de $\vec{E}$ num mesmo ponto.

Terceiro, o número de linhas que partem de uma carga é proporcional ao módulo dessa carga, o que faz da densidade superficial de linhas uma medida da carga que as origina.