unidade i física 13
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Notas de Aula de Campo ElétricoTRANSCRIPT
Campo Elétrico
Grandeza Unidade (SI) Símbolo (SI)
Carga Coulomb C
Campo Elétrico Newton/Coulomb N/C
ForçaEletrostática
Newton N
Permissividade Dielétrica do Vácuo
Coulomb2/(Newton x metro2)
Momento de dipolo elétrico
Coulomb x metro
Torque Newton x metro
Energia potencial elétrica
Joule J
Fluxo Elétrico (Newton x metro2)/Coulomb
A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das
partículas fundamentais de que é feita a matéria.
Existem dois tipos de carga: cargas positivas e cargas negativas.
Quando existe igualdade de cargas, dizemos que o objeto é eletricamente neutro.
Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.
1.1 Carga elétrica
A força de repulsão ou de atração associada à carga
elétrica dos objetos é chamada de força eletrostática, essa força obedece à lei de Coulomb:
A lei de Coulomb obedece ao princípio da superposição:
Lei de Coulomb
Teorema das Cascas
Uma casca com uma distribuição uniforme de cargas atrai ou repele uma partícula carregada situada do lado de fora da casca como se toda a carga estivesse no centro da casca.
Se uma partícula carregada está situada no interior de uma casca com uma distribuição uniforme de cargas, a casca não exerce nenhuma força eletrostática sobre a partícula.
ExemploCálculo da força total exercida por duas partículas
Solução
Podemos escrever a força total em termos dos vetores unitários
(c) Usando a lei de Coulomb obtemos:
Agora podemos executar a soma:
ExemploEquilíbrio de uma partícula submetida a duas forças
Solução
Na Figura, duas esferas condutoras iguais, A e B, estão
separadas por uma distância (entre os centros) muito maior que o raio das esferas. A esfera A tem uma carga positiva +Q e a esfera B é eletricamente neutra. Inicialmente, não existe nenhuma força eletrostática entre as esferas. (Suponha que a carga induzida nas esferas pode ser desprezada porque as esferas estão muito afastadas).
(a) As esferas são ligadas momentaneamente por um fio condutor suficientemente fino para que a carga que se acumula no fio possa ser desprezada. Qual é a força eletrostática entre as esferas depois que o fio é removido?
(b) A esfera A é ligada momentaneamente à terra e, em seguida, a ligação com a terra é removida. Qual é a nova força eletrostática entre as esferas?
ExemploDistribuição de uma carga entre duas esferas
condutoras iguais
(a)Ocorre uma transferência de cargas da esfera A
para a esfera B, que cessa quando as cargas das esferas ficam iguais a Q/2. De acordo com a lei de Coulomb a força eletrostática entre as esferas é
(b) Como agora, uma esfera é descarregada; a força eletrostática entre as esferas é nula.
Solução
Campo Elétrico
A relação entre as linhas de campo e os vetores de campo elétrico é a
seguinte:
(1) em qualquer ponto, a orientação de uma linha de campo retilínea ou a orientação da tangente a uma linha de campo não-retilínea é a orientação do campo elétrico nesse ponto
(2) As linhas de campo são desenhadas de tal forma que o número de linhas por unidade de área, medido em um plano perpendicular às linhas, é proporcional ao módulo do campo elétrico.
As linhas de campo elétrico se afastam das cargas positivas (onde começam) e se aproximam das cargas negativas (onde terminam).
Linhas de força
De acordo com a Lei de Coulomb, o campo elétrico
de uma carga pontual é dada por
O campo elétrico produzido por várias cargas pontuais obedece ao princípio da superposição
Campo Elétrico produzido por uma carga pontual
ExemploCampo elétrico produzido por três partículas carregadas
Os módulos dos campos elétricos são
Pela Figura, nós podemos somar os módulos dos campos 1 e 2:
Como o módulo dos campos 1 e 2 é igual ao módulo do campo 3; nós podemos eliminar a componente y. Resta só a componente x no campo elétrico resultante:
Solução
Uma Carga Pontual em um Campo Elétrico
ExemploMovimento de uma partícula carregada na presença de
um campo elétrico
A aceleração da gota é para cima e vale
Os deslocamentos horizontal e vertical da gota valem
O deslocamento vertical vale, portanto:
Solução
Duas partículas carregadas com carga de mesmo
módulo (q) e sinais opostos, separadas por uma distância d formam um dipolo elétrico
O campo elétrico produzido pelo dipolo elétrico no eixo z é dado por:
Campo elétrico produzido por um dipolo elétrico
ExemploDipolos Elétricos e sprites
Solução
O campo elétrico no eixo z produzido por uma anel
carregado com uma densidade linear de cargas uniforme é dado por
1.2 Campo Elétrico Produzido por Uma Linha de Cargas
ExemploCampo elétrico de um arco de circunferência carregado
Para determinar o campo elétrico, precisamos
considerar somente as componentes x do campos elétricos produzidos pelos elementos de carga da barra:
Solução
O módulo do campo elétrico produzido por um
disco circular carregado em pontos do eixo central é
Campo de um plano infinito
Campo Elétrico Produzido por um Disco Carregado
Em um campo elétrico uniforme, as duas
extremidades do dipolo estão sujeitas a forças de mesmo módulo e sentidos opostos. Elas produzem um torque em relação ao centro de massa:
A energia potencial é dada por:
Um Dipolo em um Campo Elétrico
ExemploTorque e energia de um dipolo elétrico em um
campo elétrico
(a) Como uma molécula neutra de água possui 10
elétron e 10 prótons, o módulo do momento dipolar é dado por
(b) O torque é máximo quando o ângulo entre o dipolo e o campo elétrico é 90°:
Solução
(c) O trabalho realizado pelo agente externo é igual a variação da energia potencial da molécula devido à mudança de orientação
1.3 Fluxo Elétrico
ExemploFluxo de um campo uniforme através de uma
superfície cilíndrica
O Fluxo é dada pela soma dos fluxos nas duas bases
e na lateral do cilindro
Solução
ExemploFluxo de um campo elétrico não uniforme através de
um cubo
Face direita
Face esquerda
Face superior
Solução
A lei de Gauss relaciona o fluxo total através de uma
superfície fechada (superfície gaussiana) à carga total envolvida pela superfície.
A lei de Gauss é equivalente a Lei de Coulomb na eletrostática, e a generaliza para campos elétricos que dependem do tempo.
Lei de Gauss
ExemploRelação entre a carga total e o fluxo total
As cargas 4 e 5 não contribuem porque estão do lado
de fora da superfície. A lei de Gauss diz que:
Solução
ExemploAplicação da Lei de Gauss a um campo
não uniforme
O fluxo na face inferior é dado por
O fluxo nas faces dianteira e traseira é nulo.
Portanto o fluxo total que atravessa o cubo é
Pela lei de Gauss, a carga envolvida é dada por
Solução
Se uma carga em excesso é introduzida em um condutor, a carga se
concentra na superfície do condutor; o interior do condutor continua a ser neutro.
O campo elétrico no interior do condutor deve ser nulo.
O módulo do campo elétrico (normal à superfície) logo acima da superfície do condutor é dado por
Um Condutor Carregado
ExemploCasca metálica esférica, campo elétrico e
carga
Solução
O campo elétrico produzido por uma reta de cargas
infinitamente longa em um ponto situado a uma distância r da reta é dado por:
Lei de Gauss: Simetria Cilíndrica
ExemploA lei de Gauss e uma descarga para cima
em uma tempestade elétrica
Solução
O campo elétrico de uma placa não-condutora é
dado por:
Já no caso de duas placas condutoras de cargas opostas e idênticas em forma, o campo no interior das placas é
Lei de Gauss: Simetria Planar
ExemploCampo Elétrico nas proximidades de duas placas
carregadas paralelas
Os campos elétricos das placas são dados por
O campo do lado esquerdo aponta para a esquerda e tem módulo dado por
O campo do lado direito possui o mesmo módulo e aponta para a direita. O campo no meio das placas aponta para a direita e tem módulo dado por:
Solução
A Lei de Gauss pode ser usada para provar o teorema das
cascas.
O campo elétrico no interior de uma esfera de densidade volumétrica de cargas uniforme é dado por
No lado externo da esfera vale o teorema das cascas.
Lei de Gauss: Simetria Esférica