Conservação da carga

RKA12 Há uma lei na física que permanece válida já há muito tempo. Leis da física são construídas, modificadas, ajustadas conforme o tempo vai passando e os experimentos vão mostrando, mas a chamada Lei da Conservação da Carga permanece considerada válida. Não houve experimento ainda que foi capaz de mostrar que ela é inválida ou tem falhas. Estamos falando particularmente de carga elétrica, Lei da Conservação da Carga Elétrica. Para ilustrar esta carga, imagine que nós temos aqui uma caixa, e, dentro desta caixa, nós temos algumas partículas carregadas eletricamente. Vamos supor que temos aqui uma partícula de carga positiva 2 coulombs, outra partícula de carga negativa -3 coulombs aqui, e, finalmente, uma outra partícula de carga positiva 5 coulombs. Esta caixa imaginária aqui estando bem fechada, o que significa, o que nós queremos dizer é que não há carga que entra nela. Também não há carga que sai dela. E a Lei da Conservação da Carga, simplesmente, diz que a carga total neste sistema deve ser um valor que permanece constante. Matematicamente falando, a somatória, indicada pela letra grega sigma (∑), de todas as cargas na região considerada (no caso, a nossa caixa aqui) é sempre um valor constante. Estamos considerando, é claro, que não vai entrar nem sair da caixa nenhuma carga. Vamos entender numericamente neste exemplo. Temos aqui uma carga [de] 2 coulombs positiva, que, ao somarmos (algebricamente, claro, considerando o sinal) com a carga negativa de 3 coulombs aqui, e com a carga positiva de 5 coulombs, nós vamos encontrar um resultado para esta soma: 2 menos 3 é -1... com mais 5 são 4 coulombs. Então, nesta região, nesta caixa, a carga total é de 4 coulombs positiva, e ela continua assim desde que não entre, nem saia, carga dali. Em uma primeira análise, isto pode parecer bem óbvio. Se não vai entrar nem sair carga da caixa, claro que na somatória nós vamos nos manter sempre com os 4 coulombs. Entretanto, a física e os físicos sabem que, se nós colidirmos partículas com a energia necessária, nós podemos alterar as suas características, a sua identidade. E a Lei da Conservação da Carga traz para nós uma informação bastante útil a respeito. Vamos ver. Vamos supor que aconteça uma colisão com energia suficiente entre estas partículas. E você pode imaginar, por exemplo, que você tem aqui um próton e aqui um elétron (claro, a carga de um próton é bem diferente de 2 coulombs, mas vamos só supor para facilitar a ideia), e, nesta colisão com energia suficiente, nós podemos quebrar estas partículas em outras partículas e obter novas cargas. Mas é aí que entra a utilidade da Lei da Conservação da Carga. A carga total no sistema tem que continuar a mesma, que neste exemplo vai ser de 4 coulombs. Vamos analisar. Vamos supor que, após uma colisão, nós encontremos aqui quatro partículas. Uma certa partícula com carga positiva 1 coulomb. 1 coulomb é um número muito grande para a carga de uma pequena partícula, mas o número grande aqui ajuda a compreender. Uma outra partícula com carga, digamos, de -7 coulombs. Uma outra partícula com carga de -4 coulombs. E uma última partícula com uma carga desconhecida, digamos uma carga indicada por "q". Estas quatro partículas foram originadas a partir do sistema que nós já estávamos analisando (ou seja, não houve entrada nem saída de cargas), então é possível, com a Lei da Conservação da Carga, dizer qual deve ser a carga desta carga desconhecida indicada por "q". Basta que nós lembremos que a soma de todas elas tem que dar 4 coulombs pela Lei da Conservação da Carga. Nós, efetuando a conta, vamos encontrar: temos 1 coulomb menos 7 coulombs da outra partícula, menos 4 coulombs da outra partícula, e mais uma certa carga "q", isto tudo tem que resultar em 4 coulombs positivos de carga. Agora, fica muito fácil descobrir a carga "q", bastando efetuar as contas aqui. "+1 - 7" são -6, com -4 são -10. Ou seja, -10 mais a carga "q" tem que resultar em 4 coulombs. Aqui fica fácil saber que a carga "q", então, tem que ser uma carga de, positiva, 14 coulombs. Vamos a um outro exemplo. Você não precisa necessariamente ter uma caixa para analisar situações envolvendo cargas. Podemos imaginar aqui uma certa partícula indicada por X, e digamos que esta partícula tenha carga elétrica +3 coulombs. Com 3 coulombs de carga seria uma partícula enorme, mas é para exemplificar e ficar fácil de compreender. Vamos lá! Esta partícula decai. Partículas costumam decair, ou seja, simplesmente "desaparecer", transformando-se em outras partículas. E digamos que, neste caso, esta partícula X vai se transformar em uma outra partícula Y, e em uma outra partícula Z. E você descobre que a partícula Y tem uma carga positiva +2 coulombs, e a partícula Z tem uma carga negativa -1 coulomb. Isto é possível? Não, isto não é possível. Por quê? Pela Lei da Conservação da Carga! Os +3 coulombs da partícula X deveriam aparecer em todas as partículas que delas se originaram. Ao somar 2 com -1 nós vamos encontrar 1 coulomb, e não 3 coulombs. Se esta parte aqui tinha carga de +3 coulombs, esta parte daqui também deve ter. E +2 coulombs com -1 coulomb resulta em 1 coulomb. Para chegar em 3 coulombs, faltam 2 coulombs. Onde estes 2 coulombs estão? Necessariamente, estariam em alguma outra partícula desconhecida (uma partícula, vamos chamar de misteriosa), que você não detectou no seu experimento. E, nesta partícula, nós encontraríamos então a carga que falta, que deveria ser +2 coulombs. Somando 2 coulombs com -1 coulomb, temos 1 coulomb. Com +2 coulombs, temos 3 coulombs, que era a mesma carga anterior, respeitando, portanto, a Lei da Conservação da Carga. Vamos imaginar uma outra situação. Vamos supor, agora, que eu tenha uma partícula X. que não tem carga. Ela tem uma carga de zero coulomb. Ela não está carregada eletricamente. Esta partícula pode se quebrar em outras partículas que estejam carregadas? Sim, isto é possível. Um exemplo disto é o fóton. O fóton não tem carga, e ele pode ser quebrado, ele pode ser desmembrado, em outras partículas que tenham carga. E o que vai acontecer, sem ferir a Lei da Conservação da Carga é que, por exemplo, se esta partícula não carregada se quebra em duas, se, por exemplo, esta partícula tiver uma carga de +3 coulombs, esta tem que ter uma carga de -3 coulombs, para que, no total, mantenhamos o zero coulomb da carga original. No caso do fóton, ele pode se desmembrar em elétron e antielétron que tem a mesma carga (são subpartículas que têm a mesma carga, entretanto o elétron é carga negativa e o antielétron, também chamado pósitron, tenha carga positiva. E, na somatória, a carga continua sendo zero. Você, neste momento, não precisa necessariamente estudar as outras partículas, mas, sabendo da Lei da Conservação da Carga, você pode fazer afirmações sobre elas e situações que as envolvem, sabendo o que é possível e o que não é possível. Até o próximo vídeo!