Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física

Ensino Médio, 3ª Série

Campo Elétrico

FÍSICA, 3ª SérieCampo Elétrico

Campo Elétrico

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CAMPO CAMPO ELÉTRICOELÉTRICO

É uma propriedade física estabelecida em todos os pontos do espaço que estão sob a influência de uma carga elétrica (carga fontecarga fonte), tal que uma outra carga (carga de provacarga de prova), ao ser colocada num desses pontos, fica sujeita a uma força de atraçãoforça de atração ou de repulsão,repulsão, exercida pela carga carga fontefonte.

VETOR CAMPO VETOR CAMPO ELÉTRICOELÉTRICO

Unidade de E do SI: N/CUnidade de E do SI: N/C

Quando uma carga de prova q é colocada em um ponto do espaço e sofre a ação de uma força F, dizemos, que, por definição, a razão entre F e q é igual ao módulo do campo elétrico E naquele ponto.

qFE

| E | = Fq

|

CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA PUNTIFORME FIXA PUNTIFORME FIXA

Sendo q > 0q > 0, FF e E E têm o mesmo sentidomesmo sentido; sendo q < 0q < 0, FF e EE têm sentidos sentidos contrárioscontrários. FF e EE têm sempre a mesma direçãomesma direção.

CONCLUSÕESCONCLUSÕES

Carga fonte positiva (Q > O)(Q > O) gera campo elétrico de afastamento. afastamento.

Carga fonte negativa (Q < O)(Q < O) gera campo elétrico de aproximaçãoaproximação.

Uma partícula eletrizada (Q)(Q) gera campo elétrico na região do espaço que a circunda, porém, no ponto onde foi colocada, o vetor vetor campocampo, devido à própria partícula, é nulonulo.

QQ _ Carga fonteqq _ Carga de prova colocada em um ponto PP no campo gerado por QQ.dd _ distância do ponto PP à carga fonte QQ

O módulo do campo elétrico em um ponto P, no qual uma carga q fica sob ação de uma força de módulo F, é obtido a partir da relação:

2

2.

dQK

qdqQK

qFE

2dQKE

É importante salientar que a existência do campo elétricocampo elétrico em um ponto não depende da presença da carga de provacarga de prova naquele ponto. Assim, existe um campo campo elétricoelétrico em cada um dos pontos, embora não haja carga de provacarga de prova em nenhum deles.

A outra unidade de intensidade de campo elétrico, no Sistema Internacional de Sistema Internacional de Unidades (SI),Unidades (SI), é o volt por metro ( V/m V/m ).

A intensidadeintensidade, direçãodireção e sentidosentido dependem do ponto do campocampo, da cargacarga do corpo que produz o campo e do meiomeio que o envolve.

O gráfico representa a intensidade do vetor EE, criado por uma partícula eletrizada com carga Q Q em função da distância dd.

Vejamos algumas observações Vejamos algumas observações importantesimportantes

CAMPO ELÉTRICO DE VÁRIAS CAMPO ELÉTRICO DE VÁRIAS CARGAS PUNTIFORMESCARGAS PUNTIFORMES

As cargas QQ11, QQ22 e QQ33 originam, separadamente, os vetores campo elétrico EE11, EE22 e EE33.

O vetor campo vetor campo elétrico resultanteelétrico resultante EE é a soma vetorial dos vetores campos EE11, EE22 e EE33 que as cargas originam separadamente no ponto PP.

Padrões de campos elétricos podem ser visualizados pelo alinhamento de partículas de fubá que se encontram misturadas em uma camada de 4 mm (aproximadamente) de óleo de rícino. Os campos elétricos são criados por  sondas metálicas eletrizadas (por uma Máquina Wimshurst ou fonte de alta tensão) imersas na mistura óleo-fubá.

LINHAS DE LINHAS DE FORÇA FORÇA

Na figura têm-se duas sondas em formato de discos eletrizados com cargas opostas. As partículas de fubá são polarizadas pela ação do campo elétrico e se alinham na mesma direção da força do campo elétrico em cada ponto.A sucessão destas partículas polarizadas expressam o padrão das linhas de força do campo elétrico.

LINHAS DE FORÇA LINHAS DE FORÇA

O conceito de linhas de forçalinhas de força foi introduzido pelo físico inglês M. FaradayM. Faraday, no século XIX, com a finalidade de representar o campo elétricocampo elétrico através de diagramas.

Acima, temos exemplo de linhas de forçalinhas de força para duas cargas puntiformes positivascargas puntiformes positivas e de valores idênticos. No exemplo, ambas são positivas. Caso fossem negativas, mudaria apenas o sentido da orientação das linhas de forçalinhas de força, sendo conservados os demais aspectos.

Acima, temos exemplo de linhas de linhas de forçaforça para duas cargas puntiformes: cargas puntiformes: uma positivauma positiva e outra negativa de valores idênticos.

Linha de forçaLinha de força de um campo elétricocampo elétrico é uma linha que tangencia, em cada ponto, o vetor campo elétrico resultante,vetor campo elétrico resultante, associado ao ponto considerado. Quanto maior a distância até a carga,Quanto maior a distância até a carga, mais afastadas, entre si, estão as linhas, em conformidade com o que já foi visto, isto é, o valor do campo diminui com a distânciavalor do campo diminui com a distância. Por convenção, as linhas de forçalinhas de força são orientadas no sentido do vetor campovetor campo.As linhas de força são sempre perpendiculares à superfície dos corpos carregados.A concentração de linhas de força é diretamente proporcional à intensidade do campo elétrico.

Trajetória de Partículas

Cargas positivas movimentam-se

espontaneamente a favor do campo

Cargas negativas movimentam-se

espontaneamente contra o campo

CAMPO ELÉTRICO CAMPO ELÉTRICO UNIFORMEUNIFORME

Um campo elétricocampo elétrico denomina-se uniformeuniforme em uma região do espaço se o vetor campo elétricovetor campo elétrico é o mesmo em todos os pontos da região (mesma direção, mesmo sentido e mesma intensidade). Nele, as linhas linhas de forçade força são retas paralelas igualmente orientadasretas paralelas igualmente orientadas e espaçadasespaçadas.

Pode-se demonstrar que o campo entre duas placas planas, paralelas e de espessura desprezível é uniformeuniforme.

Trajetória de Partículas

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

A FORMAÇÃO DOS A FORMAÇÃO DOS RAIOSRAIOS

Experiências realizadas com naves e balões mostram que as nuvens de tempestades (responsáveis pelos raiosraios) apresentam, geralmente, cargas cargas elétricas positivas na parte superior e elétricas positivas na parte superior e negativas, na inferiornegativas, na inferior.

As cargas positivascargas positivas estão entre 66 e 7 km7 km de altura, enquanto que as negativasnegativas, entre 33 e 4 4 kmkm. Para que uma descarga elétrica (raio)descarga elétrica (raio) tenha início, não há necessidade de que o campo elétrico atinja a rigidez dielétrica do arrigidez dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kV/m são suficientes). 0 fenômenofenômeno inicia-se com uma primeira etapa: uma descarga piloto, de pouca luminosidade, na forma de árvore invertida, da nuvem para a Terra . Ela vai ionizando o ar.

Uma vez que a descarga piloto atinja o solo, tem início uma segunda etapa: a descarga principal. Ela é de grande luminosidadeluminosidade, dirigida da Terra para a nuvem, tem tem velocidade da ordem de 30 000 km/s.velocidade da ordem de 30 000 km/s.

0 efeito luminosoefeito luminoso do raio é denominado relâmpagorelâmpago e o efeito sonoroefeito sonoro, que resulta do forte aquecimento do ar originando sua rápida expansão, é denominado trovãotrovão. Há raios raios não só entre uma nuvem e a Terra, mas entre nuvens e entre as partes de uma mesma nuvem.

O trovão é uma onda sonora, provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som no ar e que, nas proximidades do local da queda, é um som inaudível para o ouvido humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Esta constitui o trovão audível.

Lenda: Se não está chovendo, não caem raios.Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva.Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa seja atingida por um raio.Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior, sem tocar em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro, é sempre mais seguro dentro do que fora dele.Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e não devem ser tocadas.Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico, especialmente, reanimação cardiorrespiratória.Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar.Verdade: Não importa qual seja o local, ele pode ser atingido, repetidas vezes, durante uma tempestade. Isso acontece até com pessoas.

O PARA-O PARA-RAIOSRAIOS

0 objetivo principal de um para-raiospara-raios é proteger uma certa região ou edifício ou residência, ou semelhante, da ação danosa de um raioraio. Estabelece-se, com ele, um percurso seguro da descarga principal entre a Terra e a nuvem. Um para-raios para-raios consta, essencialmente, de uma haste metálica disposta verticalmente na parte mais alta do edifício a proteger. A extremidade superior da haste termina em várias pontas e a inferior é ligada à terra através de um cabo metálico, que é introduzido profundamente no terreno. Quando uma nuvem eletrizada passa nas proximidades do para-raiospara-raios, ela induz neste cargas de sinal contrário. 0 campo elétrico,campo elétrico, nas vizinhanças das pontas, torna-se tão intenso que ioniza o ar e força a descarga elétrica através do para-raios, que proporciona, ao raio, um caminho seguro até a terra.

APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICOAPLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

Outra aplicação tecnológica está no vasto uso de capacitores. Os capacitores são dispositivos capazes de armazenar cargas elétricas. O capacitor plano é feito por duas placas planas paralelas com dois terminais. O fato das duas placas serem paralelas faz com que se forme, entre elas, um CEU (Campo Elétrico Uniforme). Uma aplicação prática dos capacitores é o FLASH de uma máquina fotográfica. Os capacitores, nesse caso, acumulam energia em campo elétrico para fazer o FLASH disparar. Outras aplicações práticas do campo elétrico são as foto- copiadoras, os dispositivos de despoluição do ar e os para-raios.

APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICOAPLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO

APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICOAPLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO

A observação de que o corpo elétrico humano é capaz de gerar campos elétricos permite o desenvolvimento de uma tecnologia que poderá permitir nosso corpo de fazer parte integrante de uma rede de informática: a Human Area Network, que, através da tecnologia chamada de ‘’RedTacton’’, utiliza o campo elétrico formado no corpo humano como um ‘meio’ de transmissão rápida e segura, utilizando-se de um dispositivo transmissor/receptor RedTacton. Assim, 2 corpos e 2 computadores poderiam trocar informações através do campo elétrico do corpo dos usuários.

APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICOAPLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO

Muitos equipamentos tecnológicos utilizam o campo elétrico na atividade médica. Uma das mais recentes aplicações é o aparelho de ressonância magnética, que usa campos eletromagnéticos na produção de imagens para o diagnóstico de várias doenças. Outros tipos de equipamentos, como os de análises sanguíneas, também fazem uso de campos elétricos e são amplamente utilizados.

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