Física 3 - Eletromagnetismo - UFRJ - Prof Elvis

2.289 visualizações

Publicada em

Notas de Aula do curso de Física 3 ministrado por mim no semestre de 2014/2 na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).

Publicada em: Educação
0 comentários
3 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
2.289
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
4
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
99
Comentários
0
Gostaram
3
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Física 3 - Eletromagnetismo - UFRJ - Prof Elvis

  1. 1. Física III: Eletromagnetismo Elvis Soares 2014
  2. 2. 2
  3. 3. Sumário 1 Carga Elétrica e Campo Elétrico 1 1.1 Propriedades da Carga Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Corpos Eletrizados e Processos de Eletrizacão . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Eletrização por Atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Eletrização por Contato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.3 Eletrização por Indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Lei de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Campo Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Campo Elétrico de uma Distribuição de Cargas . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6 Linhas de Campo Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.7 Movimento num Campo Elétrico Uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.8 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Lei de Gauss 19 2.1 Fluxo Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Lei de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Aplicações da Lei de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Cargas em Condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 Potencial Eletrostático 37 3.1 Força Elétrica como Força Conservativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 Diferença de Potencial e Potencial Eletrostático . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3 Potencial de Cargas Puntiformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4 Gradiente do Potencial e Equipotenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5 Potencial Devido a Distribuições Contínuas de Carga . . . . . . . . . . . 42 3.6 Potencial Devido a um Condutor Carregado . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.7 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3
  4. 4. 4 SUMÁRIO 4 Capacitância e Dielétrico 51 4.1 Capacitância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 Cálculo de Capacitância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3 Associação de Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.1 Capacitores em Paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.2 Capacitores em Série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 Energia Armazenada num Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Materiais Dielétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.6 Capacitores com Dielétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.7 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5 Corrente, Resistência e Força Eletromotriz 69 5.1 Corrente Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.1 Modelo Microscópico para Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 Lei de Ohm e Condutância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.1 Modelo Microscópico para Condutividade . . . . . . . . . . . . . 73 5.3 Potência Elétrica e Efeito Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6 Campo Magnético 79 6.1 Fatos Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2 Força e Campo Magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 Força Magnética numa Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.4 Movimento de Cargas num Campo Magnético Uniforme . . . . . . . . . 88 6.5 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7 Fontes de Campo Magnético 93 7.1 Lei de Gauss no Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7.2 Lei de Biot-Savart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3 Lei de Ampère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4 Corrente de Deslocamento e a Lei de Ampère-Maxwell . . . . . . . . . . 104 7.5 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8 Indução Eletromagnética 109 8.1 Lei de Lenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.2 Indução de Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.3 Lei de Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.4 Indutância Mútua e Auto-Indutância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.5 Energia Magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
  5. 5. SUMÁRIO 5 8.6 Equações de Maxwell e Além! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.7 Lista de Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Referências Bibliográficas 124 A Gabaritos das Listas de Exercícios 127
  6. 6. 6 SUMÁRIO
  7. 7. Capítulo 1 Carga Elétrica e Campo Elétrico A interação eletromagnética entre partículas carregadas eletricamente é uma das interações fundamentais da natureza. Nesse capítulo iremos estudar algumas proprie- dades básicas da força eletromagnética, discutiremos a Lei de Coulomb, o conceito de campo elétrico, e finalizaremos com o estudo do movimento de partículas carregadas num campo elétrico uniforme. 1.1 Propriedades da Carga Elétrica Quando atritamos uma caneta contra o nosso cabelo num dia seco, vemos que a ca- neta passa a atrair pequenos pedaços de papel sobre a mesa. O mesmo ocorre quando certos materiais são atritados entre si, como um bastão de vidro contra um pano de seda ou plástico contra pele. Isto se deve ao fato de que toda a matéria que conhecemos é formada por átomos, que são formados por um núcleo, onde ficam os prótons e nêutrons e uma eletrosfera, onde os elétrons permanecem, em órbita. Os prótons e nêutrons têm massa pratica- mente igual, mas os elétrons têm massa cerca de 2 mil vezes menor. Se pudéssemos separar os prótons, nêutrons e elétrons de um átomo, veríamos que os prótons seriam atraídos pelos elétrons enquanto os nêutrons não seriam afetados. 1
  8. 8. 2 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO Esta propriedade de cada uma das partículas é chamada carga elétrica. Os prótons são partículas com carga positiva, os elétrons tem carga negativa e os nêutrons tem carga neutra. A unidade de medida adotada internacionalmente para a medida de cargas elétri- cas é o coulomb (C). Um próton e um elétron têm valores absolutos de carga iguais embora tenham si- nais opostos. O valor da carga de um próton ou um elétron é chamado carga elétrica elementar e simbolizado por e, sendo a menor unidade de carga elétrica conhecida na natureza, com valor igual a e = 1.602 19 × 10−19 C (1.1) Portanto, 1 C de carga é aproximadamente a carga de 6.24 × 1018 elétrons ou pró- tons. Esse número é bem pequeno se comparado com número de elétrons livres em 1 cm3 de cobre, que tem da ordem de 1023. 1.2 Corpos Eletrizados e Processos de Eletrizacão Dizemos que um corpo está eletrizado negativamente quando tem maior número de elétrons do que de prótons, fazendo com que a carga elétrica desse corpo seja negativa; E que um corpo está eletrizado positivamente quando tem maior número de prótons do que de elétrons, fazendo com que a carga elétrica desse corpo seja positiva. Por isso, um corpo é chamado eletricamente neutro se ele tiver número igual de prótons e de elétrons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja nula. A carga de um corpo eletrizado deve então ser um múltiplo da carga elementar, de tal forma que Q = ±N.e, sendo N um número inteiro qualquer. O processo de retirar ou acrescentar elétrons a um corpo neutro para que este passe a estar carregado eletricamente denomina-se eletrização. Alguns dos processos de ele- trização mais comuns são: 1.2.1 Eletrização por Atrito Este processo foi o primeiro de que se tem conhecimento. Foi descoberto por volta do século VI a.C. pelo matemático grego Tales de Mileto, que concluiu que o atrito entre certos materiais era capaz de atrair pequenos pedaços de palha e penas. Posteriormente o estudo de Tales foi expandido, sendo possível comprovar que dois corpos neutros feitos de materiais distintos, quando são atritados entre si, um
  9. 9. 1.2. CORPOS ELETRIZADOS E PROCESSOS DE ELETRIZACÃO 3 deles fica eletrizado negativamente (ganha elétrons) e outro positivamente (perde elé- trons). Quando há eletrização por atrito, os dois corpos ficam com cargas de módulo igual, porém com sinais opostos. Por exemplo, ao se atritar uma barra de vidro num pano de lã, elétrons passam do vidro para a lã. Em consequência, a barra de vidro adquire carga elétrica positiva (perde elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons). Se, em vez da barra de vidro, atritarmos com a lã uma barra de resina, haverá a transferência de elétrons da lã para a resina. Então, a barra de resina adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica positiva (perde elétrons). 1.2.2 Eletrização por Contato Se dois corpos condutores, sendo pelo menos um deles eletrizado, são postos em contato, a carga elétrica tende a se estabilizar, sendo redistribuída entre os dois, fa- zendo com que ambos tenham a carga com mesmo sinal. 1.2.3 Eletrização por Indução Este processo de eletrização é totalmente baseado no princípio da atração e repul- são, já que a eletrização ocorre apenas com a aproximação de um corpo eletrizado (indutor) a um corpo neutro (induzido). O processo é dividido em três etapas: 1. Primeiramente um bastão eletrizado é aproximado de um condutor inicialmente neutro, pelo princípio de atração e repulsão, os elétrons livres do induzido são atraídos/repelidos dependendo do sinal da carga do indutor.
  10. 10. 4 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO 2. O próximo passo é ligar o induzido à Terra por um fio condutor, ainda na pre- sença do indutor. 3. Desliga-se o induzido da Terra, fazendo com que sua carga seja de sinal oposto àquela do indutor. Terra Por fim, retira-se o indutor das proximidades do induzido que fica eletrizado com sinal oposto à carga do indutor, e com a carga distribuída por todo o corpo.
  11. 11. 1.3. LEI DE COULOMB 5 1.3 Lei de Coulomb A partir de alguns experimentos, Coulomb pode generalizar as seguintes proprie- dades da força elétrica entre duas cargas puntiformes em repouso. A força elétrica • é inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre as cargas e dirigida ao longo da linha que liga uma a outra. • é proporcional ao produto das cargas das duas partículas; • é atrativa se as cargas são de sinais opostos e repulsiva se as cargas tem o mesmo sinal. A lei expressa na forma vetorial para a força elétrica exercida por uma carga q1 numa outra carga q2, dita F2(1), é F2(1) = k q1q2 r2 ˆr = −F1(2) (1.2) onde k é a constante chamada constante de Coulomb e ˆr é o vetor unitário dirigido da carga q1 para a carga q2, conforme figura. –+ r F1(2) F2(1) q1 q2 F1(2) F2(1) q1 q2 rˆ + + A constante de Coulomb é também escrita como k = 1/4π 0, e seu valor no SI é k = 8.987 5 × 109 N.m2 /C2 ≈ 9.0 × 109 N.m2 /C2 (1.3) Como a força elétrica obedece à Terceira Lei de Newton, a força elétrica exercida pela carga q2 em q1 é igual em intensidade a força exercida por q1 em q2, na mesma direção mas em sentido oposto, de modo que F1(2) = −F2(1) Quando mais que duas cargas estão presentes, a força entre qualquer par delas é dada pela Lei de Coulomb. Portanto, a resultante das forças sobre qualquer uma delas é igual a soma vetorial das forças exercidas pelas outras cargas. Fi = ∑ i=j Fi(j) = ∑ i=j k qiqj r2 j ˆrj (1.4)
  12. 12. 6 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO Exemplo: Átomo de Hidrogênio Um átomo de hidrogênio é composto por um elétron, de massa me = 9.11 × 10−31 kg, e um próton, de massa mp = 1.67 × 10−27 kg, separados por uma distância de aproximadamente d = 5.3 × 10−11 m. A intensidade da força elétrica é dada pela Lei de Coulomb Fe = k e2 d2 = (9.0 × 109 ) (1.60 × 10−19)2 (5.3 × 10−11)2 = 8.2 × 10−8 N Já a intensidade da força gravitacional é dada pela Lei da Gravitação Universal de Newton Fg = G memp d2 = (6.67 × 10−11 ) (9.11 × 10−31)(1.67 × 10−27) (5.3 × 10−11)2 = 3.6 × 10−47 N A razão Fe/Fg ≈ 2 × 1039. Então, a força gravitacional entre essas partículas subatômi- cas é desprezível se comparada com a força elétrica.
  13. 13. 1.3. LEI DE COULOMB 7 Exemplo: Força Resultante Consideremos três cargas −q, q e √ 2q dispostas nos vértices de um triângulo retân- gulo, como mostra a figura. F3(1) q q -q a a y x – + + F3(2) 2a√ √2 A força F3(1) exercida pela carga √ 2q sobre a carga q é F3(1) = k √ 2q2 ( √ 2a)2 ˆr1, onde ˆr1 é o vetor posição relativa que sai da carga √ 2q e aponta na direção de q, sendo es- crito facilmente como ˆr1 = cos 45o ˆx + sen 45o ˆy, de modo que F3(1) = 1 2 k q2 a2 ( ˆx + ˆy), A força F3(2) exercida pela carga −q sobre a carga q é F3(2) = −k q2 a2 ˆr2, onde ˆr2 é o vetor posição relativa que sai da carga −q e aponta na direção de q, sendo escrito na forma ˆr2 = ˆx, de modo que F3(2) = −k q2 a2 ˆx A força resultante F3 sobre a carga q é então calculada como a soma das forças F3(1) e F3(2) sendo F3 = F3(1) + F3(2) = 1 2 k q2 a2 (− ˆx + ˆy)
  14. 14. 8 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO 1.4 Campo Elétrico O conceito de campo foi desenvolvido por Michael Faraday no contexto de forças elétricas. Nesse contexto, um campo elétrico existe na região do espaço ao redor de um objeto carregado, a carga fonte. Quando outro objeto carregado, a carga teste, entra nesse campo elétrico, uma força elétrica age sobre ele. Sendo assim, o campo elétrico produzido pela carga fonte é definido como a força elétrica por unidade de carga situado num dado ponto do espaço E = Fe q2 = k q1 r2 ˆr (1.5) O vetor E tem no SI unidade de N/C. A direção de E, como mostra a figura, é a direção da força que uma carga teste positiva sentiria quando colocada nesse campo. Dizemos que um campo elétrico existe num ponto se uma carga teste nesse ponto ex- perimenta uma força elétrica, dada por Fe = qE (1.6) E q r P rˆ + – E q rˆ r P O campo elétrico num ponto P devido a um conjunto de cargas puntiformes pode ser obtido, através do princípio da superposição, como a soma vetorial dos campos elétri- cos devido, individualmente, a cada carga do conjunto no mesmo ponto P. E = ∑ i Ei = ∑ i k qi r2 i ˆri (1.7)
  15. 15. 1.4. CAMPO ELÉTRICO 9 Exemplo: Campo Elétrico de um Dipolo Um dipolo elétrico é definido como uma carga positiva q e uma negativa −q separadas por uma distância 2a. Vamos obter o campo elétrico E devido ao dipolo num ponto P situado a uma distância y do centro do dipolo. P E θ θ y E1 E2 y r θ a q θ a – q – x+ No ponto P, os campos E1 e E2 devido às duas cargas são iguais em intensidades, pois o ponto P é equidistante das cargas, sendo assim E1 = E2 = k q (y2 + a2) . As componentes y de E1 e E2 se cancelam, e as componentes x são ambas positivas e de mesma intensidade, de modo que E = 2E1 cos θ = 2k q (y2 + a2) a (y2 + a2)1/2 Portanto, E é um vetor paralelo ao eixo x escrito na forma E = k 2qa (y2 + a2)3/2 ˆx No limite em que o ponto P está muito distante do dipolo, dito y a, podemos desprezar a2 comparado com y2 no denominador e escrever E ≈ k 2qa y3 ˆx Obs: Em alguns livros é comum aparecer o vetor momento de dipolo elétrico definido como d = −2qa ˆx, que é um vetor de intensidade igual a carga positiva q vezes a distância entre as cargas 2a e aponta na direção da carga negativa para a positiva, de modo que E ≈ −k d y3 Então, muito distante do dipolo elétrico, o campo elétrico varia com ∼ 1/r3 que cai mais rapidamente que o campo de uma carga que varia com ∼ 1/r2. Isso se deve ao fato que os campos das cargas positiva e negativa vão se anulando ao longo da distância, diminuindo a intensidade do campo elétrico total.
  16. 16. 10 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO 1.5 Campo Elétrico de uma Distribuição de Cargas Todo corpo é composto de cargas elétricas (vindas da natureza atómica da matéria), cujas distâncias relativas são muito curtas se comparadas com os tamanhos típicos dos objetos. Sendo assim, para calcular o campo elétrico criado por uma distribuição de cargas, usaremos o seguinte procedimento: primeiro, dividimos a distribuição de cargas em pequenos elementos de carga, cada um de carga infinitesimal dq (infinitesimal, porém maior que a carga elementar). Depois, usamos o campo elétrico devido a uma carga puntiforme para calcular o campo elétrico devido a esse elemento dq no ponto P. E por último, somamos as contribuições de todos elementos de cargas e obtemos o campo elétrico total no ponto P devido à distribuição de cargas (de acordo com o princípio de superposição dos campos). O campo elétrico no ponto P devido a um elemento de carga dq é dE = k dq r2 ˆr onde r é a distância do elemento de carga até o ponto P e ˆr o vetor unitário que sai da carga e aponta na direção de P. O campo elétrico total em P devido a todos os elementos na distribuição de carga é E = V dE = V k dq r2 ˆr (1.8) e a integral aparece porque o corpo é modelado como uma distribuição contínua de carga. De fato, podemos associar sempre a uma distribuição de cargas o conceito de den- sidade de carga. • No caso de uma carga distribuída ao longo de um volume tem-se dq = ρdV, onde ρ é a densidade volumétrica de cargas. • No caso de uma carga distribuída ao longo de uma área tem-se dq = σdA, onde σ é a densidade superficial de cargas. • No caso de uma carga distribuída ao longo de uma linha tem-se dq = λdl, onde λ é a densidade linear de cargas.
  17. 17. 1.5. CAMPO ELÉTRICO DE UMA DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS 11 Exemplo: Fio Carregado Uniformemente Vamos estudar o caso de um fio de comprimento L e carga Q distribuída uniforme- mente ao longo dele, como mostra a figura. O campo elétrico no ponto P devido a um ele- mento de carga dq do fio é dado por dE = k dq r2 ˆr, onde r é o vetor posição relativa que sai da carga e aponta na direção de P dado por r = −x ˆx + a ˆy, onde seu módulo e o correspondente vetor unitário são r = x2 + a2 e ˆr = r r = (−x ˆx + a ˆy) (x2 + a2)1/2 . O campo elétrico total produzido pelo fio no ponto P é então calculado como a soma sobre todos os elementos de carga que compõem o fio, indo de x = −L/2 até x = L/2, e assim tem-se E(0, a, 0) = L/2 −L/2 kλdx (x2 + a2)3/2 (−x ˆx + a ˆy). *Mostre que: As integrais necessárias resultam em L/2 −L/2 xdx (x2 + a2)3/2 = 0, L/2 −L/2 dx (x2 + a2)3/2 = L [(L/2)2 + a2] 1/2 , e com esses resultados encontramos que E(0, a, 0) = kQ a [(L/2)2 + a2] 1/2 ˆy usando que a densidade linear de carga do fio é λ = Q/L. Obs1: No caso em que o fio é muito pequeno, ou o ponto P está muito distante do fio tem-se lim a L E(0, a, 0) = kQ a2 ˆy que é o campo de uma carga puntiforme a uma distância a do ponto P. Obs2: No caso em que o fio é muito grande, ou o ponto P está muito próximo do fio tem-se
  18. 18. 12 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO Exemplo: Aro Carregado Uniformemente Consideremos um aro de raio R carregado uniformemente com uma carga positiva Q. Vamos determinar o campo elétrico num ponto P situado a uma distância a do centro do aro e ao longo do eixo perpendicular ao plano do mesmo, conforme a figura. + + + + + + + + + + ++ + + ++ θ P dEx dE dE⊥ a r dq R O campo elétrico no ponto P devido a um ele- mento de carga dq do fio é dado por dE = k dq r2 ˆr, onde r é o vetor posição relativa que sai da carga e aponta na direção de P. Esse campo tem uma componente dEx = dE cos θ ao longo do eixo x e uma componente dE⊥ perpendicular ao eixo x. Sabemos que o campo resultante no ponto P deve estar ao longo do eixo x pois a componente perpendicular de todos os elementos de carga somados é zero. Isto é, a componente perpendicular do campo criado por qualquer elemento de carga é cancelada pela componente perpendicular criada por um elemento de carga no lado oposto do anel (diga-se diametralmente oposto). Como r = (a2 + R2)1/2 e cos θ = a/r, temos que dEx = dE cos θ = k dq r2 a r = k a (a2 + R2)3/2 dq Todos os elementos do aro fazem a mesma contribuição para o campo elétrico no ponto P porque todos são equidistantes desse ponto. Então, integrando esse resultado obte- mos Ex = k a (a2 + R2)3/2 dq = k a (a2 + R2)3/2 dq Sendo Q a carga total do aro, o campo elétrico total produzido por este aro no ponto P é então escrito na forma vetorial como E(P) = k Qa (a2 + R2)3/2 ˆx Obs1: No caso em que o aro é muito pequeno, ou o ponto P está muito distante desse aro tem-se lim a R E(P) = k Q a2 ˆx que é o campo de uma carga puntiforme a uma distância a do ponto P. Obs2: No caso em que o aro é muito grande, ou o ponto P está muito próximo dele
  19. 19. 1.5. CAMPO ELÉTRICO DE UMA DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS 13 Exemplo: Disco Carregado Uniformemente Consideremos um disco de raio R carregado uniformemente com uma densidade su- perficial de carga σ. Vamos determinar o campo elétrico num ponto P situado a uma distância a do centro desse disco e ao longo do eixo perpendicular ao plano do mesmo, conforme a figura. P a r R dq dr Se considerarmos o disco como um conjunto de aros concêntricos, podemos usar o resul- tado do exemplo anterior (o campo de um aro carregado uniformemente) e somamos as contribuições de todos aros formando o disco. O aro de raio r e espessura dr, conforme a figura, tem área igual a 2πr dr. A carga dq desse aro é igual a dq = 2πσr dr. Usando o resultado do aro carregado, temos que o campo elétrico no ponto P devido a um elemento de carga dq desse aro é dado por dEx = k a (a2 + r2)3/2 (2πσr dr). Então, integrando esse resultado sobre os limites r = 0 até r = R, notando que a é constante, obtemos Ex = kaπσ R 0 2r dr (a2 + r2)3/2 = kaπσ R 0 (a2 + r2 )−3/2 d(r2 ), de modo que Ex = kaπσ (a2 + r2)−1/2 −1/2 R 0 = 2πkσ 1 − a (a2 + R2)1/2 . Sendo assim o campo elétrico total produzido por este disco no ponto P é então escrito na forma vetorial como E(P) = 2πkσ 1 − a (a2 + R2)1/2 ˆx Obs1: No caso em que o disco é muito pequeno, ou o ponto P está muito distante tem-se lim a R E(P) = k Q a2 ˆx, que é o campo de uma carga puntiforme a uma distância a do ponto P.
  20. 20. 14 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO Obs2: No caso em que o disco é muito grande, ou o ponto P está muito próximo dele tem-se lim R a E(P) = 2πkσ ˆx = σ 2 0 ˆx, que é um campo constante nas proximidades do disco, sendo 0 a permissividade elétrica do vácuo. Desta forma, um plano infinito tem módulo do campo elétrico igual a E = σ/2 0 nas suas proximidades. 1.6 Linhas de Campo Elétrico Vamos agora explorar uma maneira de representar o campo elétrico pictoricamente. Uma maneira conveniente de visualizar padrões de campo elétrico é desenhar linhas curvas paralelas ao vetor campo elétrico em qualquer ponto do espaço. O vetor campo elétrico E é tangente a linha de campo elétrico em cada ponto. A linha tem uma direção, indicada por uma seta, que é a mesma do vetor campo elétrico. O número de linhas por unidade de área que atravessa uma superfície perpendi- cular as linhas é proporcional a intensidade do campo elétrico nesse região. Então, as linhas de campo estão mais próximas onde o campo elétrico é forte e mais distantes onde o campo é fraco. q – q + – As regras para desenhar as linhas de campo elétrico são as seguintes: • As linhas de campo começam em cargas positivas e terminam em cargas negati- vas. • O número de linhas desenhadas é proporcional a intensidade da carga. • Duas linhas de campo nunca se cruzam.
  21. 21. 1.7. MOVIMENTO NUM CAMPO ELÉTRICO UNIFORME 15 + – + + 1.7 Movimento num Campo Elétrico Uniforme Quando uma carga q e massa m está localizada num campo elétrico E, a força elé- trica exercida nessa carga é F = qE = ma (1.9) Se o campo elétrico E é uniforme (isso é, constante na intensidade e direção), então a aceleração também é constante. Exemplo: Elétron num Campo Elétrico Uniforme Consideremos duas placas metálicas carregadas de maneira oposta e um elétron de carga −e lançado horizontalmente dentro da região de campo elétrico uniforme, con- forme a figura. ( 0, 0) E – (x,y) – v x y– – – – – – – – – – – – + + + + + + + + + + + + v0xˆ Sabendo que a velocidade inicial do elétron era v0 ˆx no instante de tempo t = 0, e que o campo elétrico E = E ˆy é uniforme, as aceleração, ve- locidade e posição do elétron em função do tempo são a = − eE m ˆy v = v0 ˆx − eE m t ˆy r = r0 + v0t ˆx − 1 2 eE m t2 ˆy
  22. 22. 16 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO 1.8 Lista de Exercícios 1. Suponha que seja possível retirar 1 elétron de cada átomo de um metal. Consi- dere um bloco de massa m. Sendo µ a massa molecular do metal, qual seria a carga Q deste bloco se retirássemos todos os elétrons mecionados? Dê a resposta em função do número de Avogadro NA. 2. Em cada vértice de um quadrado de lado L existe uma carga q. Determine o módulo da força elétrica sobre qualquer uma das quatro cargas. 3. Cargas q, 2q, e 3q são colocadas nos vértices de um triângulo equilátero de lado a. Uma carga Q, de mesmo sinal que as outras três, é colocada no centro do triângulo. Obtenha a força resultante sobre Q (em módulo, direção e sentido). 4. Desejamos repartir uma carga Q entre dois corpos. Um dos corpos recebe uma carga q1 e o outro recebe uma carga q2. A repartição das cargas é feita de tal modo que se tenha sempre q1 + q2 = Q. Determine os valores dessas cargas para que a repulsão coulombiana entre q1 e q2 seja máxima para qualquer distância entre as cargas. 5. Considere o dipolo elétrico conforme a figura abaixo. Mostre que o campo elé- trico num ponto distante (x a) situado ao longo do eixo x é Ex ≈ 4kqa/x3, e que o campo elétrico num outro ponto distante (y a) situado ao longo do eixo y é Ey ≈ 2kqa/y3 x y 6. Considere n cargas pontuais positivas iguais, de magnitudes Q/n cada, localiza- das simetricamente ao longo de um círculo de raio R. Calcule a intensidade do campo elétrico num ponto a uma distância x na linha passando através do centro do círculo e perpendicular ao plano do círculo. 7. Determine o campo elétrico produzido por um aro de raio R carregado uniforme- mente, de carga total Q, nos pontos situados sobre o eixo x de simetria ortogonal ao plano passando pelo centro do aro. Compare esse resultado com o do pro- blema anterior.
  23. 23. 1.8. LISTA DE EXERCÍCIOS 17 8. Um cabo de carga positiva está na forma de um semi-círculo de raio R, conforme figura. A carga por unidade de comprimento ao longo do cabo é descrita pela expressão λ = λ0 cos θ. A carga total no cabo é Q. Calcule o campo elétrico e a força resultante sobre uma carga q situada no centro de curvatura. y R x θ 9. Considere uma distribuição uniforme de cargas ao longo de um fio retilíneo finito de comprimento L, cuja a carga total é igual a Q. Determine o módulo do campo elétrico nos pontos situados sobre a reta perpendicular ao fio e passando pelo seu centro. E se o fio fosse infinito, qual seria o módulo desse campo elétrico? (Sugestão: use o fato que a densidade linear do fio é uniforme) 10. Um fio quadrado de lado L está uniformemente carregado com densidade linear de carga λ. Calcule o campo elétrico num ponto P a uma altura d do centro do quadrado, conforme figura. (Sugestão: use componentes cartesianas e argumen- tos de simetria) L L z P d 11. Uma casca hemisférica de raio R possui densidade superficial de cargas cons- tante, sendo sua carga total igual a Q. Determine o módulo do campo elétrico no centro da esfera. 12. Trace de forma esquemática as linhas de força associadas a um par de cargas puntiformes +2q e −q, separadas por uma distância d. Explique o traçado e discuta qualitativamente o comportamento das linhas próximos e distantes das cargas, em diferentes regiões.
  24. 24. 18 CAPÍTULO 1. CARGA ELÉTRICA E CAMPO ELÉTRICO 13. Um pósitron (anti-partícula do elétron) de carga q e massa m entra numa região de campo elétrico uniforme E com uma velocidade v0 formando um ângulo θ com o sentido do campo elétrico. Descreva o movimento da partícula, e esboce sua trajetória. 14. Um dipolo elétrico num campo elétrico uniforme é levemente deslocado da sua posição de equilíbrio, conforme figura, onde θ é pequeno. A separação entre as cargas é 2a, e o momento de inércia do dipolo é I. Assumindo que o dipolo é liberado dessa posição, mostre que sua orientação angular exibe um movimento harmônico simples com uma frequência f = 1 2π 2qaE I 1/2 Eθ q+ –– q Young & Freedman: 21.73, 21.79, 21.84, 21.89, 21.90, 21.97, 21.104, 21.107
  25. 25. Capítulo 2 Lei de Gauss Nesse capítulo, descreveremos a Lei de Gauss e um procedimento alternativo para cálculo de campos elétricos a partir dessa lei. 2.1 Fluxo Elétrico O fluxo do campo elétrico é proporcional ao número de linhas de campo que pas- sam por uma dada superfície. Consideremos uma superfície qualquer divida em um número muito grande de ele- mentos de área que são suficientemente pequenos, de área dA, onde o campo elétrico é uniforme uma vez que o elemento de superfície é suficientemente pequeno. Desta forma, o fluxo elétrico dΦE através desse elemento de área é dΦE = EdA Se a superfície em consideração não é perpendicular ao campo, o fluxo através dela pode mudar. É fácil entender pela figura a seguir, onde a normal à superfície dA2 faz 19
  26. 26. 20 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS um ângulo θ com o campo elétrico, enquanto a normal à superfície dA1 é paralela a ele. Porém, o número de linhas de campo que atravessam a superfície dA1 é o mesmo que atravessam a superfície dA2, uma vez que dA1 = dA2 cos θ é a projeção da superfí- cie dA2, nesse caso. Então, o fluxo elétrico sobre as duas superfícies é igual nesse caso a dΦE = E · ˆn1dA1 = E · ˆn2dA2 ≡ E · dA Se quisermos calcular o fluxo elétrico sobre uma superfície, devemos calcular a soma do fluxo de cada elemento de superfície infinitesimal, conforme a figura. Sendo assim, o fluxo elétrico se reduz a integral ΦE = E · dA (2.1) que é uma integral feita sobre a superfície desejada, ou seja, ela depende do campo elétrico e da forma da superfície em questão.
  27. 27. 2.1. FLUXO ELÉTRICO 21 Exemplo: Fluxo através do Cubo Consideremos um campo elétrico uniforme E orientado ao longo da direção x positivo. Vamos calcular o fluxo elétrico total através da superfície de um cubo de arestas l, como mostra a figura. O fluxo total é a soma dos fluxos através de todas superfícies do cubo. Primeiramente, notamos que o fluxo através das faces 3 , 4 e daquelas não numeradas é zero pois E é perpendicular a dA nessas faces. O fluxo através das faces 1 e 2 é ΦE = 1 E · dA + 2 E · dA Na face 1 , E é constante e tem a direção oposta ao vetor dA1, de modo que o fluxo sobre essa face é 1 E · dA = 1 (E ˆx) · (− ˆxdA1) = −E 1 dA1 = −El2 Na face 2 , E é constante e tem a mesma direção do vetor dA2, de modo que o fluxo sobre essa face é 2 E · dA = 2 (E ˆx) · ( ˆxdA2) = E 2 dA2 = El2 Portanto, o fluxo total sobre a superfície do cubo é ΦE = −El2 + El2 + 0 + 0 + 0 + 0 ΦE = 0
  28. 28. 22 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS Exemplo: Fluxo através da Esfera devido a uma Carga Consideremos uma carga puntiforme positiva q localizada no centro de uma esfera de raio R, como mostra a figura. + O fluxo total através da superfície da esfera deve ser calculado como ΦE = E · dA onde o elemento de área da esfera é dA = ˆrdA, de modo que o fluxo através da esfera é ΦE = k q R2 ˆr · (ˆrdA) = k q R2 (4πR2 ) Lembrando que k = 1/4π 0, podemos escrever o fluxo através da esfera como ΦE = q 0 Notamos que o fluxo total através da superfície da esfera é proporcional a carga in- terna. O fluxo é independente do raio R porque a área da superfície da esfera é propor- cional a R2 e, o campo elétrico é proporcional a 1/R2. Então, o produto da área pelo campo elétrico independe do raio R.
  29. 29. 2.2. LEI DE GAUSS 23 2.2 Lei de Gauss Vamos considerar algumas superfícies fechadas em volta de uma carga q, conforme a figura. A superfície A1 é esférica, mas as superfícies A2 e A3 não são. Pelo exemplo anterior, o fluxo que passa através da superfície A1 é q/ 0. Como discutido anteriormente, o fluxo é proporcional ao número de linhas de campo elétrico que passam através da superfície. E da figura vemos que o número de linhas que passam através de A1 é igual ao número de linhas que passam pelas superfícies não- esféricas A2 e A3. Portanto, concluímos que o fluxo total através de qualquer superfície fechada envolta de uma carga q é dado por q/ 0 e é independente da forma dessa superfície. Agora, vamos considerar uma carga localizada fora de uma superfície de forma arbitrária, conforme a figura. Como podemos ver, qualquer linha de campo que entra na superfície sai da mesma por outro ponto. O número de linhas de campo entrando na superfície é igual ao
  30. 30. 24 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS número deixando a superfície. Portanto, concluímos que o fluxo total através de uma superfície fechada que não engloba nenhuma carga é zero. Consideremos agora o sistema de cargas e superfícies conforme a figura a seguir. A superfície S engloba somente uma carga, q1; assim, o fluxo total através de S é q1/ 0. O fluxo através de S devido às cargas q2, q3, e q4 fora dela é zero pois cadas linha de campo que entra em S num ponto sai da superfície por outro ponto. A superfície S engloba as cargas q2 e q3; assim, o fluxo total através dela é (q2 + q3)/ 0. E finalmente, o fluxo total através de S é zero pois não há nenhuma carga no interior da superfície. Isso é, todas as linhas de campo que entram em S por um ponto saem dela em outros pontos. Notemos que a carga q4 não contribui para o fluxo em nenhuma superfície porque ela está fora de todas as superfícies. Assim, a Lei de Gauss, que é a generalização do que descrevemos aqui, estabelece que o fluxo total sobre qualquer superfície fechada é ΦE = E · dA = Qint 0 (2.2) onde Qint representa a carga total no interior da superfície e E representa o campo elétrico em qualquer ponto na superfície. 2.3 Aplicações da Lei de Gauss A lei de Gauss é útil para determinar campos elétricos de distribuições de cargas com alto grau de simetria. A idéia é escolher uma superfície gaussiana que satisfaz uma ou mais condições a seguir: 1. O valor do campo elétrico pode ser constante sobre a superfície devido à simetria.
  31. 31. 2.3. APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS 25 2. O produto escalar E · dA é zero porque E e dA são perpencilares, enquanto E · dA é ±EdA pois E e dA são paralelos. 3. O campo pode ser zero sobre a superfície. Essas condições serão usadas nos exemplos a seguir. Exemplo: Campo Elétrico de uma Carga Puntiforme Vamos determinar o campo elétrico de uma carga puntiforme q a partir da Lei de Gauss. + Como o espaço em volta da carga tem si- metria esférica, essa simetria nos diz que o campo elétrico deve ser radial apenas, de forma que escrevemos E = E(r)ˆr Escolheremos uma superfície gaussiana que satisfaça algumas das propriedades lis- tadas acima, e a melhor opção parece ser uma superfície gaussiana esférica de raio r centrada na carga puntiforme, conforme figura. Com isso, podemos escrever o fluxo do campo elétrico como ΦE = E · dA = E(r)dA = q 0 onde usamos o fato que o campo elétrico é normal à superfície gaussiana. Além disso, o campo elétrico possui a mesma intensidade em todos os pontos da superfície esférica, devido à distância ser a mesma em todos os pontos, de modo que E(r)dA = E(r) dA = E(r)(4πr2 ) = q 0 e assim E(r) = q 4π 0r2 = k q r2 Obs: Se a carga não estivesse no centro da esfera, a lei de Gauss permaneceria válida, mas não haveria simetria suficiente para determinar o campo elétrico, pois a intensi- dade do campo elétrico iria variar ao longo da superfície gaussiana.
  32. 32. 26 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS Exemplo: Campo Elétrico de uma Esfera Carregada Uniformemente Vamos determinar o campo elétrico de uma esfera isolante de raio a e carregada uni- formemnte com uma carga Q. Como a distribuição de cargas é esfericamente simétrica, sabemos que o campo deve ser radial para fora E = E(r)ˆr e que a superfície gaussiana deve ser uma superfície esférica, conforme as figuras abaixo. No caso em que r > a, conforme figura (a) e do exemplo anterior, sabemos que ΦE = E(r)dA = E(r) dA = E(r)(4πr2 ) = Q 0 cujo resultado é E(r > a) = k Q r2 No caso em que r < a, conforme figura (b), o fluxo do campo elétrico deve ser ΦE = E(r)dA = E(r) dA = E(r)(4πr2 ) = Qint 0 porém, nesse caso, a carga interna à superfície gaussiana é dada a partir da densidade de carga da esfera ρ = Q/4 3πa3 na forma Qint = ρ 4 3 πr3 = Q r3 a3
  33. 33. 2.3. APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS 27 que juntos resultam em E(r < a) = k Q a3 r Sendo assim, o campo elétrico dentro e fora da esfera tem formas diferentes e podemos analisá-los na forma de um gráfico. E(r) =    k Q a3 r se r < a k Q r2 se r > a
  34. 34. 28 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS Exemplo: Campo Elétrico de um Fio Infinito Carregado Uniformemente Vamos determinar o campo elétrico de um fio delgado infinito e isolante carregado uniformemente com uma densidade de carga linear λ. + + + + + + Como a distribuição de cargas é cilindricamente simétrica, sabemos que o campo deve ser radial cilíndrico para fora, conforme a figura (b) E = E(s)ˆs e que a superfície gaussiana deve ser uma superfície cilíndrica, conforme a figura (a). Usando a Lei de Gauss, sabemos que o fluxo do campo elétrico através da superfície gaussiana é proporcional à carga interna à gaussiana ΦE = E · dA = E(s) dA = E(s)(2πsl) = λl 0 onde usamos o fato que o campo elétrico E é perpendicular aos vetores dA nas superfícies da tampa e do fundo do cilindro, de modo que o resultado é E(s) = λ 2π 0s Assim, o campo elétrico de uma distribuição de cargas com simetria cilíndrica cai com 1/r en- quanto que o de uma distribuição com simetria esférica cai com 1/r2. Tal campo foi encontrado no exemplo do fio carregado, no capítulo ante- rior, no limite em que o fio é infinito. Obs: Se o fio fosse finito, não poderíamos afirmar que na borda desse fio o campo teria a forma E = E(s)ˆs. Na verdade, apareceriam componentes do campo que são parelelas ao fio.
  35. 35. 2.3. APLICAÇÕES DA LEI DE GAUSS 29 Exemplo: Campo Elétrico de um Plano Infinito Carregado Uniformemente Vamos determinar o campo elétrico de um plano delgado infinito e isolante carregado uniformemente com uma densidade de carga superficial σ. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Como a distribuição de cargas tem simetria pla- nar, ou seja, simetria na forma de um plano, sa- bemos que o campo deve ser perpendicular à superfície E = E(n) ˆn e que a superfície gaussiana pode ser uma superfície cilíndrica, conforme a figura. Usando a Lei de Gauss, sabemos que o fluxo do campo elétrico através da superfície gaussiana é proporcional à carga interna à gaussiana ΦE = E · dA = E(n) dA = 2E(n)A = σA 0 onde usamos o fato que o campo elétrico E é perpendicular aos vetores dA na lateral do cilindro e somente há fluxo nas tampas do cilindro, de modo que o resultado é E(n) = σ 2 0 Assim, o campo elétrico de uma distribuição de cargas plana infinita independe da dis- tância ao plano. Tal campo foi encontrado no exemplo do disco carregado, no capítulo anterior, no limite em que o disco é infinito.
  36. 36. 30 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS 2.4 Cargas em Condutores Como vimos no capítulo anterior, um bom condutor elétrico contem cargas (elé- trons) que não estão ligados aos átomos e portanto estão livres para se moverem dentro do material. Quando não há nenhum movimento Um condutor em equilíbrio eletrostático tem as seguintes propriedades: 1. O campo elétrico é zero em qualquer lugar no interior do condutor. 2. Se um condutor isolado está carregado, sua carga reside na superfície. 3. O campo elétrico no exterior muito próximo do condutor é perpendicular à su- perfície e de módulo σ/ 0. 4. Num condutor de forma irregular, a densidade de carga σ é maior onde menor for o raio de curvatura da superfície. Vamos verificar as primeiras três propriedades a seguir, e a quarta propriedade é apresentada aqui apenas para completar a lista de propriedades de um condutor em equilíbrio eletrostático, mas será verificada apenas no capítulo seguinte. Primeira propriedade: Vamos considerar uma chapa condutora imersa num campo elétrico externo E. + + + + + + + + – – – – – – – – O campo elétrico dentro do condutor deve ser zero sobre a hipótese que estamos em equilíbrio eletrostático. Se o campo não fosse zero, os elétrons livres experimentariam uma força elétrica e iriam acelerar devido a essa força. Esse movimento dos elétrons, contudo, significaria que o condutor não está em equilí- brio eletrostática. Assim, a existência do equilíbrio eletrostático é con- sistente apenas com o campo zero no condutor. Segunda propriedade: Vamos considerar um condutor de forma arbitrária. Uma superfície gaussiana é desenhada dentro do condutor e pode estar próxima da super- fície do condutor o quanto quisermos.
  37. 37. 2.4. CARGAS EM CONDUTORES 31 Como já mostramos, o campo elétrico no interior do condutor deve ser nulo quando está em equilíbrio eletrostático. Portanto, o campo elétrico deve ser nulo em todos os pontos da gaussiana, de modo que o fluxo total sobre essa superfície deve ser nulo. E pela Lei de Gauss, concluímos que a carga total no interior da gaussiana é zero. Assim, como a carga total dentro do condutor deve ser nula, a carga total no condutor reside na sua superfície. Terceira propriedade: Vamos usar a lei de Gauss para mostrar essa propriedade. Notamos que se o campo elétrico E tiver componente paralela à superfície do condutor, elétrons livres sofrerão força e estarão postos a se mover ao longo da superfície, o que no caso de equilíbrio eletrostático é proibido. Então, o vetor E deve ter apenas componente normal à superfície. + + + + + + + + ++ + + + + ++ + + + + Vamos usar uma gaussiana na forma de um ci- lindro tão pequeno quanto quisermos, cujas fa- ces planas são paralelas à superfície do condu- tor, enstando parte do cilindro fora do condutor e parte dentro. O fluxo sobre a superfície late- ral do cilindro é zero, pois o campo é paralelo à superfície, e na superfície dentro do condutor é zero pois o campo é zero naquela região. Então, o fluxo na gaussiana é apenas ΦE = EdA = EA = Qint 0 = σA 0 de modo que o campo na superfície do condutor deve ter módulo igual a E = σ 0 tendo a direção perpendicular à superfície do condutor.
  38. 38. 32 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS Exemplo: Esfera dentro de uma Casca Esférica Condutores Vamos determinar o campo elétrico de um plano delgado infinito e isolante carregado uniformemente com uma densidade de carga superficial σ. + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++++ + + + + + + + Como a distribuição de cargas tem simetria es- férica, a direção do campo elétrico deve ser ra- dial de tal forma que E = E(r)ˆr Região 1: Para encontrar o campo dentro da esfera sólida, consideremos uma superfí- cie gaussiana de raio r < a. Como a carga total dentro de um condutor em equilíbrio eletrostático é zero, Qint = 0 , então, usando a Lei de Gauss e simetria, E(r < a) = 0. Região 2: Nessa região, consideremos uma gaussiana esférica de raio r onde a < r < b e notemos que a carga no interior dessa superfície é +2Q (a carga da esfera sólida). Devido à simetria esférica, o campo elétrico deve ser radial, de modo que pela Lei de Gauss E(4πr2 ) = 2Q 0 e assim E(a < r < b) = k 2Q r2 Região 3: Nessa região, o campo elétrico deve ser zero pois a casca esférica é também um condutor em equilíbrio, então E(b < r < c) = 0.
  39. 39. 2.4. CARGAS EM CONDUTORES 33 Região 4: Usando uma gaussiana esférica de raio r onde r > c e notando que a carga interna a essa superfície é Qint = +2Q + (−Q) = Q, temos E(r > c) = k Q r2 Desta forma, o campo elétrico dessa distribuição de cargas pode ser escrito e represen- tado num gráfico como a seguir. E(r) =    0 se r < a k2Q r2 se a < r < b 0 se b < r < c k Q r2 se r > c
  40. 40. 34 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS 2.5 Lista de Exercícios 1. Uma esfera de raio R está imersa em um campo elétrico uniforme E. Determine: (a) o fluxo elétrico através da esfera; (b) o fluxo elétrico que sai da esfera. 2. No centro de um cubo de aresta igual a l existe uma carga Q. Determine: (a) o fluxo elétrico através de uma das faces do cubo. (b) o fluxo elétrico total através da superfície do cubo. 3. Um campo elétrico não-uniforme é dado pela expressão E = ay ˆx + bz ˆy + cx ˆz, onde a, b, e c são constantes. Determine o fluxo elétrico através de uma superfície retangular no plano xy, que se estende de x = 0 a x = w e de y = 0 até y = h. 4. Use a Lei de Gauss para determinar o campo elétrico de uma carga q puntiforme. 5. Uma esfera de raio R possui carga total Q uniformemente distribuida. Determine o campo elétrico na região (a) r > R. (b) r < R. 6. Um fio infinito possui uma densidade linear de cargas λ constante. Determine o módulo do campo elétrico em função da distância ao eixo do fio. 7. Determine o campo elétrico produzido por um plano infinito possuindo uma distribuição superficial de cargas σ uniforme. 8. Dois planos infinitos não-condutores estão paralelos entre si, conforme a figura abaixo. O plano da esquerda tem densidade de carga uniforme igual a σ, e o da direita tem densidade de carga uniforme igual a −σ. Determine o campo elétrico para pontos situados entre os dois planos e na região fora dos planos considerados. 9. Um cilindro condutor de raio R e comprimento infinito possui distribuição su- perficial de carga uniforme σ. Determine o campo elétrico para pontos interiores e exteriores ao cilindro.
  41. 41. 2.5. LISTA DE EXERCÍCIOS 35 10. Uma esfera de raio R possui uma distribuição de cargas esfericamente simétrica dada por ρ = Br, onde B é uma constante e r é a distância ao centro da esfera. Determine: (a) a carga total da esfera. (b) os campos elétricos dentro e fora da esfera. 11. Uma esfera isolante homogênea de raio a e de carga Q é colocada no centro de uma casca esférica condutora neutra de raio interno b e raio externo c, conforme figura abaixo. (a) Determine o campo elétrico nas regiões 0 < r < a, a < r < b, b < r < c, e r > c. (b) Determine a carga induzida por unidade de área nas su- perfícies interna e externa da casca esférica. (c) Esboce um gráfico da intensidade desse campo. 12. Uma esfera de raio 2a é feita de um material não-condutor que tem densidade de carga uniforme ρ. Uma cavidade de raio a é então removida da esfera, como mostra a figura. Mostre que o campo elétrico dentro da cavidade é uniforme e é dado por Ex = 0 e Ey = ρa/3 0. (Sugestão: Use o princípio da superposição.) Young & Freedman: 22.37, 22.40, 22.44, 22.52, 22.55, 22.65, 22.66
  42. 42. 36 CAPÍTULO 2. LEI DE GAUSS
  43. 43. Capítulo 3 Potencial Eletrostático Nesse capítulo, estudaremos o potencial eletrostático criado por cargas puntiformes e distribuições de cargas, bem como diferenças de potenciais entre pontos. 3.1 Força Elétrica como Força Conservativa Uma das propriedades mais interessantes da Lei de Coulomb é o fato da força ele- trostática entre cargas elétricas ser uma força conservativa, que obedece a condição Fel · dl = 0, sendo dl um elemento diferencial de deslocamento, denotado por dl = dx ˆx + dy ˆy + dz ˆz no sistema de coordenadas cartesiano. Lembremos que essa integral representa o trabalho feito pela força elétrica sobre uma carga ao longo de qualquer caminho fe- chado, de modo que W (el) A→B = B A Fel · dl (3.1) é o trabalho da força elétrica entre quaisquer dois pontos A e B deve ser o mesmo para qualquer caminho que escolhamos entre esses dois pontos. Assim como no caso das forças gravitacional e elétrica, que são forças conservati- vas, podemos associar à força elétrica uma diferença de energia potencial eletrostática, W (el) A→B = −(U (el) B − U (el) A ), sendo escrita na forma integral U (el) B − U (el) A = − B A Fel · dl. (3.2) 37
  44. 44. 38 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO 3.2 Diferença de Potencial e Potencial Eletrostático Para um deslocamento infinitesimal dl de uma carga, o trabalho realizado pela força elétrica numa carga é Fel · dl = q0E · dl, sendo q0 a carga teste que experimenta o campo elétrico E criado por alguma distribuição fonte de carga. Como essa quantidade de trabalho é feita pelo campo, a energia potencial do sistema carga-campo é mudada por uma quantidade dU = −q0E · dl. E para um deslocamento finito entre os pontos A e B, a mudança na energia potencial ∆U = UB − UA do sistema é ∆U = −q0 B A E · dl (3.3) e a integração é feita ao longo do caminho que a carga q0 segue de A para B. Como a força q0E é conservativa, essa integral de linha não depende do caminho que ligue A a B. Dividindo a energia potencial pela carga teste obtemos uma quantidade física que depende somente da distribuição fonte de cargas, essa quantidade é denominada po- tencial eletrostático V. Assim, a diferença de potencial ∆V = VB − VA entre dois pontos A e B num campo elétrico é definida como a mudança de energia potencial do sistema quando uma carga teste é deslocada entre os pontos dividida pela carga teste q0 ∆V = − B A E · dl (3.4) A unidade de potencial eletrostático no S.I é o Volt, V ≡ C/m. Como o campo elétrico se relaciona com o potencial, é comum utilizarmos como unidade de campo V/m, além de N/C.
  45. 45. 3.3. POTENCIAL DE CARGAS PUNTIFORMES 39 Exemplo: Diferença de Potencial num Campo Elétrico Uniforme Vamos determinar a diferença de potencial (d.d.p.) entre os pontos A e B sujeitos a um campo elétrico uniforme E e a variação da energia potencial necessária para levar uma carga q de um ponto a outro, conforme figura. O campo elétrico nessa região é E = −E ˆy, de modo que o produto escalar E · dl = Edy, e nesse caso te- mos VB − VA = − B A E · dl = − B A Edy = −Ed. Assim, o potencial em B deve ser menor do que o potencial em A pois a diferença de potencial é ne- gativa entre os pontos. Isso significa que o campo elétrico aponta no sentido em que há decréscimo do potencial. ∆V = −Ed A variação da energia potencial eletrostática é dada por ∆U = q∆V, então ∆U = −qEd. O que nos informa que a energia potencial do sistema diminui fazendo com que a energia cinética da partícula aumentasse ∆K = −∆U, uma vez que não há forças dis- sipativas durante a trajetória. 3.3 Potencial de Cargas Puntiformes Agora que sabemos determinar a diferença de potencial entre dois pontos do es- paço, podemos o potencial eletrostático num ponto espacífico do espaço localizado a uma distância r de uma carga puntiforme. Para isso, começaremos com a expressão geral VB − VA = − B A E · dl onde A e B são os dois pontos arbitrários conforme a figura. Em qualquer ponto
  46. 46. 40 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO do espaço, o campo elétrico de uma carga puntiforme é E = kqˆr/r2, onde ˆr é um vetor unitário dirigido da carga para o ponto. A quantidade E · dl pode ser expressa como E · dl = k q r2 ˆr · dl O produto escalar ˆr · dl = dl cos θ, onde θ é o ângulo en- tre ˆr e dl. Além disso, dl cos θ é a projeção de dl em ˆr, então, dl cos θ = dr. Isto é, qualquer deslocamento dl ao longo do caminho de A para B produz uma mudança dr na magnitude de ˆr, o vetor posição do ponto com relação a carga fonte do campo. Fazendo essa substituição, en- contramos que E · dl = (kq/r2)dr, e assim, a expressão para a diferença de potencial se torna VB − VA = −kq rB rA dr r2 = kq 1 r rB rA = k q rB − k q rA Essa equação nos mostra que a diferença de potencial entre quaisquer dois pontos A e B num campo criado por uma carga puntiforme depende somente das coordenadas radiais rA e rB, ou seja, indepente do caminho escolhido de A para B, como discutido anteriormente. Uma vez estabelecido uma referência para o potencial no ponto A, qualquer ponto B terá seu potencial definido univocamente, isto é, o valor de VB depende do valor de VA. É comum escolhermos a referência do potencial elétrico, no caso de uma carga puntiforme, sendo V = 0 em rA = ∞. Com essa escolha de referência, o potencial elétrico criado por uma carga puntiforme em qualquer ponto a uma distância r da carga é V(r) = k q r , (3.5) de modo que, o potencial eletrostático depende apenas da posição V = V(x, y, z), ou seja, o potencial é um campo escalar. Para um conjunto de duas ou mais cargas puntiformes, o potencial eletrostático to- tal pode ser obtido pelo princípio da superposição, isto é, o potencial total num deter- minado ponto do espaço devido ao conjunto de cargas é a soma dos potenciais devido a cada carga independentemente naquele ponto. Assim, para um conjunto de cargas, o potencial eletrostático total é
  47. 47. 3.4. GRADIENTE DO POTENCIAL E EQUIPOTENCIAIS 41 V(r) = ∑ i Vi = ∑ i k qi ri . (3.6) 3.4 Gradiente do Potencial e Equipotenciais Uma vez que conhecemos o potencial de uma dada configuração de cargas, será que conseguiremos inferir algo sobre o campo elétrico? De fato, sabemos que a diferença de potencial entre dois pontos infinitesimalmente próximos é dada pela própria definição do potencial dV = −E · dl, sendo assim, o campo elétrico é proporcional ao gradiente do potencial V e de fato E = − V = − ∂V ∂x ˆx − ∂V ∂y ˆy − ∂V ∂z ˆz (3.7) Isto é, a componente x do campo elétrico é igual ao negativo da derivada do poten- cial com respeito a x. Processo similar pode ser feito para as componentes y e z. Esse fato é a afirmação matemática que o campo elétrico é uma medida da taxa de variação do potencial com a posição. Vamos agora imaginar um caminho dl que seja perpendicular ao campo elétrico E. A diferença de potencial nesse caminho é dV = −E · dl = 0, ou seja, a diferença de potencial é nula quando caminhamos sobre uma superfície que é perpendicular ao campo elétrico. Essas superfícies recebem o nome de equipotenciais, pelo fato de terem o mesmo potencial em todos seus pontos. +
  48. 48. 42 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO Na figura acima vemos equipotenciais (linhas tracejadas) e linhas de campo (linhas cheias) para (a) um campo elétrico uniforme produzido por um plano infinito de carga, (b) uma carga puntiforme, e (c) um dipolo elétrico. E em todos os casos, o campo elétrico é sempre perpendicular às superfícies equipotenciais e tem sentido que aponta na direção do potencial decrescente. 3.5 Potencial Devido a Distribuições Contínuas de Carga Para distribuições contínuas de carga, podemos calcular o potencial eletrostático de duas maneiras apresentadas a seguir. Se a distribuição de carga é conhecida, podemos con- siderar o potencial devido a um pequeno elemento de carga dq, tratando esse elemento como uma carga pun- tiforme. O potencial eletrostático dV em algum ponto P devido ao elemento de carga dq é dV = k dq r onde r é a distância do elemento de carga ao ponto P. Para obter o potencial total no ponto P, integramos a equação acima para incluir contribuições de todos elementos de carga da distribuição. Como cada elemento está, em geral, a distâncias diferente do ponto P, podemos expressar V = k dq r (3.8) onde r depende do elemento de carga dq, e assumimos que o potencial é zero quando o ponto P é infinitamente distante da distribuição de carga. Se o campo elétrico já é conhecido por outras considerações, tais como Lei de Gauss, podemos calcular o potencial elétrico devido à distribuição contínua de carga usando a definição do potencial. Se a distribuição de carga tem simetria suficiente, primeiro calculamos E em qualquer ponto usando a Lei de Gauss e então substituímos em ∆V = − E · dl para determinar a diferença de potencial entre quaisquer dois pontos. E por fim, escolhemos o potencial V sendo zero em algum ponto conveniente do espaço.
  49. 49. 3.5. POTENCIAL DEVIDO A DISTRIBUIÇÕES CONTÍNUAS DE CARGA 43 Exemplo: Potencial devido a um Aro Uniformemente Carregado Vamos determinar o potencial eletrostático em qualquer localizado num eixo central perpendicular a um aro uniformemente carregado de raio R e carga total Q. + + + + + + + + + + ++ + + ++ θ P dEx dE dE⊥ a r dq R Consideremos, como na figura, que o aro está ori- entado tal que seu plano é perpendicular ao eixo x e seu centro está na origem. Para analisar o problema, consideraremos o ponto P estando a uma distância x do centro do aro, conforme figura. O elemento de carga dq está a uma distância √ x2 + R2 do ponto P. Assim, podemos expressar V como V = k aro dq r = k aro dq √ x2 + R2 . Como cada elemento dq está a mesma distância do ponto P, podemos tirar √ x2 + R2 da integral, e V se reduz a V = k 1 √ x2 + R2 aro dq, e usando o fato que aro dq é a carga total do aro Q, temos V(P) = k Q √ x2 + R2 A única variável nessa expressão para V é x, uma vez que nosso cálculo é válido so- mente para pontos ao longo do eixo x. A partir desse resultado, o campo elétrico pode ser determinado a partir do gradiente do potencial como E = − V = − dV dx ˆx = −kQ d dx (x2 + R2 )−1/2 = −kQ(− 1 2 )(x2 + R2 )−3/2 (2x) então E(P) = k Qx (x2 + R2)3/2 ˆx
  50. 50. 44 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO Exemplo: Potencial devido a um Disco Uniformemente Carregado Vamos determinar o potencial eletrostático em qualquer ponto localizado no eixo cen- tral perpendicular a um disco uniformemente carregado de raio R e densidade super- ficial de carga σ. P a r R dq dr Novamente, escolhemos o ponto P no eixo x a uma distância x do centro do disco. Simplifi- camos o problema dividindo o disco num con- junto de aros carregados de espessura infinite- simal dr. O potencial devido a cada aro é dado pelo exemplo anterior. Consideremos um des- ses aros de raio r e espessura dr, conforme fi- gura. A área desse aro é dA = 2πrdr, de modo que a carga desse aro é dq = σdA = σ2πrdr. Assim, o potencial no ponto P devido a esse aro é dV = k dq √ x2 + r2 = k σ2πrdr √ x2 + r2 onde x é uma constante e r uma variável. Para encontrar o potencial total em P, soma- mos sobre todos os aros formando o disco. Isto é, integramos dV de r = 0 a r = R V = πkσ R 0 2rdr √ x2 + r2 = πkσ R 0 (x2 + r2 )−1/2 d(r2 ) e assim V(P) = 2πkσ (x2 + R2 )1/2 − x Como no exemplo anterior, podemos determinar o campo elétrico em qualquer ponto axial do disco usando o gradiente do potencial E = − dV dx ˆx = −2πkσ d dx (x2 + R2 )1/2 − x = −2πkσ 1 2 (x2 + R2 )−1/2 (2x) − 1 então E(P) = 2πkσ 1 − x √ x2 + R2 ˆx O cálculo de V e E para um ponto qualquer fora do eixo do disco é muito difícil de realizar, e não trataremos esses exemplos nesse curso.
  51. 51. 3.5. POTENCIAL DEVIDO A DISTRIBUIÇÕES CONTÍNUAS DE CARGA 45 Exemplo: Potencial devido a uma Esfera Uniformemente Carregada Vamos determinar o potencial eletrostático em qualquer região do espaço criado por uma esfera uniformemente carregada de raio R e carga total Q. Comecemos pelos pontos no exterior da esfera, isto é, r > R, tomando o potencial como zero em r = ∞. Nos capítulos anteriores, encontra- mos que a intensidade do campo elétrico no ex- terior de uma esfera uniformemente carregada de raio R é E(r > R) = k Q r2 onde o campo é radial para fora quando Q é positivo. Nesse caso, para obter o poten- cial num ponto exterior, tal como B na figura, usamos ∆V = − B A E · dl, escolhendo o ponto A como r = ∞ VB − VA = − rB rA E(r)dr = −kQ rB rA dr r2 = kQ 1 rB − 1 rA VB − 0 = kQ 1 rB − 0 e assim sabemos que o potencial na região exterior à esfera é dado por V(r > R) = k Q r Por continuidade em r = R, o potencial num ponto C na superfície da esfera deve ser VC = kQ/R. Para um ponto no interior da esfera, vamos lembrar que o campo elétrico no interior de uma esfera isolante uniformemente carregada é E(r < R) = k Q R3 r Podemos usar esse resultado para calcular a diferença de potencial VD − VC em algum ponto interior D VD − VC = − rD rC E(r)dr = −k Q R3 r R rdr VD − k Q R = k Q 2R3 (R2 − r2 )
  52. 52. 46 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO de modo que o potencial na região interior à esfera é dado por V(r < R) = k Q 2R 3 − r2 R2 V(r) =    k Q 2R 3 − r2 R2 se r < R kQ r se r > R Podemos esboçar um gráfico do potencial V(r) como função da distância r ao centro da esfera, definindo V0 = 3kQ/(2R). 3.6 Potencial Devido a um Condutor Carregado Vimos no capítulo anterior que quando um condutor sólido em equilíbrio está car- regado, sua carga reside na sua superfície, fato que os difere dos isolantes. Assim, o campo elétrico próximo a superfície externa é perpendicular a mesma e dentro do condutor o campo é nulo. Consideremos dois pontos A e B na superfície de um condutor carregado, conforme figura. + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++++ + + + + + + + Usando um caminho ao longo da superfície que ligue os dois pontos, vemos que o campo E é sempre perpendicular ao deslocamento dl, de modo que E · dl = 0. Usando esse resultado, vemos que
  53. 53. 3.6. POTENCIAL DEVIDO A UM CONDUTOR CARREGADO 47 VB − VA = − B A E · dl = 0 que vale para quaisquer dois pontos na superfície, portanto V é constante na su- perfície. Assim, a superfície de um condutor carregado em equilíbrio eletrostático é uma superfície equipotencial. Exemplo: Potencial de uma Esfera Condutora Consideremos uma esfera condutora de carga Q e de raio R, como mostra a figura (a). + + + + + + + ++ + + + + + ++ O campo elétrico obtido via Lei de Gauss é E(r) =    0 se r < R k Q r2 se r > R O potencial pode então ser obtido via campo elétrico por integração, como no exemplo anterior, de modo que V(r) =    kQ R se r < R kQ r se r > R Portanto, o potencial elétrico no interior da esfera condutora é uniforme e de mesmo valor que o potencial na superfície (figura (b)), uma vez que a diferença de potencial entre a superfície e qualquer ponto no inte- rior da esfera deve ser nula, pois o campo no interior do condutor é também nulo (fi- gura (c)). Concluímos então que o potencial eletrostático de um condutor carregado é constante em qualquer ponto no interior do condutor e de mesmo valor que na superfície.
  54. 54. 48 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO Exemplo: Poder das Pontas Consideremos um condutor representado por duas esferas condutoras de raios R1 e R2 conectadas por um fio condutor, como mostra a figura. Como as esferas estão conectadas por fio condutor, elas devem ambas terem o mesmo potencial V = k Q1 R1 = k Q2 R2 Assim, a razão entre suas cargas é Q1 Q2 = R1 R2 Porém, a razão entre suas densidades superficiais de cargas deve então ser σ1 σ2 = R2 R1 que mostra que a densidade de carga é maior na esfera de menor raio, ou seja, quanto menor for a curvatura da superfície maior será a densidade de carga num condutor.
  55. 55. 3.7. LISTA DE EXERCÍCIOS 49 3.7 Lista de Exercícios 1. Uma carga positiva q e massa m sai da placa positiva de um capacitor plano de placas paralelas e atinge a placa negativa. A velocidade inicial da carga é igual a zero. A densidade superficial de cargas numa das placas é igual a σ; a distância entre as placas do capacitor é igual a d. Determine a variação da energia potencial e a velocidade da carga q quando ela atinge a placa 2. Determine o potencial produzido por uma carga puntiforme q. 3. Considere três cargas q1, q2 e q3, colocadas no vértice de um triângulo equilátero de lado igual a L. (a) Determine o potencial elétrico no ponto onde se situa a carga q1. (b) Qual seria o trabalho necessário para deslocar a carga q1 do vértice deste triângulo até o inifinito? 4. Considere um fio retilíneo infinito com uma distribuição de cargas linear uni- forme igual a λ. Um ponto P1 está a uma distância b do fio e um ponto P2 está a uma distância c do fio, sendo c > b. Determine o módulo da diferença de potencial entre os pontos P1 e P2. 5. Um fio tendo densidade de carga linear uniforme λ está dobrado na forma da figura. Determine o campo elétrico no ponto O. 6. Considere um anel que tem densidade superficial de carga uniforme σ e de forma dada na figura. (a) Calcule o potencial num ponto P ao longo do eixo do anel. (b) Determine o campo elétrico no mesmo ponto P. 7. Considere uma esfera condutora de raio R e carga Q. Determine o potencial a uma distância r do seu centro quando: (a) r > R; (b) r < R; (c) r = R; (d) r = 0.
  56. 56. 50 CAPÍTULO 3. POTENCIAL ELETROSTÁTICO 8. Considere uma esfera de raio R com uma carga Q distribuída uniformemente no volume dessa esfera. Determine: (a) o potencial para pontos no interior da esfera. (b) o potencial para pontos no exterior da esfera. (c) em que ponto no exterior o potencial tem valor igual à metade do valor do potencial na superfície da esfera. (d) em que ponto no interior o potencial tem valor igual à metade do valor do potencial na superfície da esfera. 9. Um dipolo elétrico está localizado ao longo do eixo y, conforme figura. A inten- sidade do seu momento de dipolo elétrico é definida como p = 2qa. (a) Num ponto P, bem distante do dipolo (r a), mostre que o potencial eletrostático é V = k p cos θ r2 (b) Calcule as componentes Ex e Ey do campo elétrico nesse ponto. 10. Suponha que o potencial eletrostático numa região grande do espaço é dado por V(r) = V0 0 exp (−r2/a2), onde V0 e a são constantes, e r é a distância à origem. Determine: (a) o campo elétrico E(r) nessa região. (b) a carga total Q(r) no in- terior de uma região de raio r. (c) a densidade de carga ρ(r), usando o fato que dQ/dr = ρ(r)4πr2. (d) Esboce um gráfico de ρ(r) em função de r. Young & Freedman: 23.61, 23.66, 23.70, 23.71, 23.81, 23.85, 23.90.
  57. 57. Capítulo 4 Capacitância e Dielétrico Nesse capítulo, estudaremos o conceito de capacitância, aplicações de capacitores e dielétricos. 4.1 Capacitância Considere dois condutores carregando cargas de mesmo sinal e sinais opostos, con- forme figura. Essa combinação de dois condutores chamaremos de capacitores, sendo ambos condutores algumas vezes chamados de placas. E devido à presença das cargas, existe uma diferença de potencial ∆V entre os condutores. O que determina quanta carga está nas placas de um capacitor para uma dada vol- tagem? Experimentos mostram que a quantidade de carga Q num capacitor é linear- mente proporcional a diferença de potencial ∆V entre os condutores. Sendo assim, a capacitância C de um condutor é definida como a razão entre a intensidade da carga num dos condutores pela intensidade da diferença de potencial entre eles C ≡ Q ∆V (4.1) 51
  58. 58. 52 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO Note que por definição capacitância é sempre uma quantidade positiva. Além disso, capacitância é uma medida da capacidade de um capacitor em armazenar ener- gia, pois cargas positivas e negativas estão separadas no sistema dos dois condutores de um capacitore, existindo uma energia potencial elétrica armazenada no sistema. A capacitância no sistema SI tem unidade de Coulomb por Volt, sendo definida como Farad F = C/V, em homenagem a Michael Faraday. Consideremos um capacitor formado por um par de placas paralelas, conforme figura. + – Com o capacitor inicialmente descarregado, conec- tamos cada placa a um terminal de uma bateria, que age como uma fonte de diferença de potencial, es- tabelecendo um campo elétrico nos fios condutores quando essa conexão é feita. Na placa conectada ao terminal negativo da bateria, o campo elétrico força os elétrons a irem em direção à placa, o processo continua até a placa, o fio, e o terminal da bateria terem o mesmo potencial, de modo que não há mais diferença de potencial entre o terminal e a placa, não há mais movimento de elétrons, e a placa agora está carregada negativamente. Um processo similar ocorre na outra placa do capacitor, com elétrons saindo da placa para o fio, deixando a placa carregada positivamente. Nessa configuração fi- nal, a diferença de potencial entre as placas do capacitor é a mesma daquela entre os terminais da bateria. 4.2 Cálculo de Capacitância Para determinar a capacitância de um certo tipo de capacitor vamos usar o seguinte procedimento: assumimos uma carga de magnitude Q numa das placas, em seguida calculamos a diferença de potencial ∆V entre as placas usando as técnicas do capítulo anterior, e por último usamos a expressão C = Q/∆V para determinar a capacitância.
  59. 59. 4.2. CÁLCULO DE CAPACITÂNCIA 53 Exemplo: Capacitância de uma Esfera Condutora Imaginemos um condutor esférico carregado. As linhas de campo ao redor desse condutor são exatamente as mesmas que no caso se existisse uma casca esfé- rica condutora de raio infinito, concêntrica com a esfera e carregando uma carga de mesma intensidade e sinal oposto, de modo que essa casca esférica imaginária pode ser identificada como um segundo condutor de um capacitor de dois condutores. Assim, podemos calcular a capacitância para essa situação usando o fato que o poten- cial de uma esfera de raio R e carga Q é simplesmente kQ/R na sua superfície, e V = 0 na casca infinitamente grande, então C = Q ∆V = Q kQ/R = R k = 4π 0R, mostrando que a capacitância de uma esfera carregada é proporcional ao seu raio e independe da carga na esfera e da diferença de potencial. A capacitância de uma par de condutores depende somente da geometria dos con- dutores. Vamos ilustrar isso com duas geometrias familiares: placas paralelas e cilin- dros concêntricos.
  60. 60. 54 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO Exemplo: Capacitor de Placas Paralelas Consideremos duas placas metálicas de áreas iguais A separadas por uma distância d, conforme figura. Uma placa está carregada com carga Q, a a outra carregada com carga −Q. Se as placas estão muito próximas, de tal forma que a distância d é muito menor que as dimen- sões típicas das placas, podemos considerar o campo elétrico uniforme na região entre as pla- cas com valor igual a E = σ 0 = Q 0A , e nulo na região fora das placas. Então, como o campo entre as placas é uniforme, a diferença de potencial entre as placas é ∆V = V+ − V− = Ed = Qd 0A . Substituindo esse resultado na definição de capacitância, temos para o capacitor de placas paralelas C = Q ∆V = Q Qd/ 0A , portanto C = 0A d Isto é, a capacitância de um capacitor de placas paralelas é proporcional à área das suas placas e inversamente proporcional à separação entre as placas.
  61. 61. 4.2. CÁLCULO DE CAPACITÂNCIA 55 Exemplo: Capacitor Cilíndrico Consideremos um condutor cilíndrico sólido de raio a e carga Q é coaxial a uma casca cilíndrica de raio b > a e espessura desprezível, com carga −Q. Se os condutores tiverem um comprimento L muito maior que os raio a e b, podemos des- prezar os efeitos de borda sobre as linhas de campo, de tal forma que nesse caso o campo elétrico é perpendicular ao eixo dos cilindros e é confinado na região entre eles. A partir da Lei de Gauss, a intensidade do campo elétrico de um cilindro com distribuição de carga uniforme λ é . E(r) = 2kλ r = 2Q/L r , e como o campo elétrico da casca cilíndrica não influencia na região entre os cilindros, esse deve ser o campo na região entre a e b. Então, como conhecemos o campo entre os cilindros, a diferença de potencial entre eles é ∆V = V+ − V− = − a b E(r)dr = −2k(Q/L) a b dr r = 2k(Q/L) ln b a . Substituindo esse resultado na definição de capacitância, temos para o capacitor cilín- drico C = Q ∆V = Q 2k(Q/L) ln (b/a) , portanto C = L 2k ln (b/a) Isto é, a capacitância de um capacitor cilíndrico é proporcional ao comprimento dos cilindros.
  62. 62. 56 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO 4.3 Associação de Capacitores Agora que sabemos determina a capacitância de capacitares devido a sua geome- tria, podemos associar diferentes capacitares para obter qualquer valor de capacitância que necessitarmos. Existem dois de associações: paralela e série. 4.3.1 Capacitores em Paralelo Numa associação em paralelo, conforme figura (b), as diferenças de potenciais em cada capacitor individualmente são as mesmas e iguais à diferença de potencial apli- cada sobre a associação inteira. + – + – + – + – + – Quando os capacitores são conectados ao circuito conforme a figura (a), elétrons são transferidos entre os fios e as placas, permitindo as placas da direita se carregarem negativamente e as placas da esquerda se carregarem positivamente. O fluxo de carga cessa quando a voltarem sobre os capacitares é igual àquela dos terminais da bateria, e os capacitares ficam carregados com cargas Q1 e Q2. A carga total Q armazenada nos capacitores é Q = Q1 + Q2 Isso é, a carga total nos capacitares conectados em paralelo é a soma das cargas de cada capacitor individual. E como a voltarem sobre cada capacitor é a mesma, as cargas que eles carregam são
  63. 63. 4.3. ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES 57 Q1 = C1∆V e Q2 = C2∆V Suponha que nós desejamos trocar esses capacitores por um capacitor equivalente tendo uma capacitância Ceq, conforme figura (c). O efeito desse capacitor no circuito deve ser o mesmo do conjunto de capacitores anteriores, isto é, esse capacitor equi- valente deve armazenar carga Q quando conectado a d.d.p de ∆V. Assim, para o capacitor equivalente, Q = Ceq∆V Substituindo essas três relações para as carga na equação da carga total do circuito, temos Ceq∆V = C1∆V + C2∆V Ceq = C1 + C2 Assim, a capacitância equivalente de uma associação de capacitores em paralelo é a soma algébrica das capacitâncias individuais e é maior que qualquer uma das capa- citância individuais. Ceq = C1 + C2 + C3 + . . . (em paralelo) (4.2) 4.3.2 Capacitores em Série Numa associação em série, conforme figura (b), as cargas em cada capacitor indivi- dualmente são as mesmas e iguais à carga total armazenada na associação inteira. –+ + – + –
  64. 64. 58 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO Quando os capacitores são conectados ao circuito conforme a figura (a), elétrons são transferidos para fora da placa da esquerda de C1 e vão para a placa da direita de C2. Como essa carga negativa se acumula na placa direita de C2, uma quantidade equivalente de carga negativa é forçada para fora da placa esquerda de C2, e essa placa esquerda adquire então um excesso de carga positiva. A carga negativa deixando a placa esquerda de C2 causa um acumulo de carga negativa na placa direita de C1. Como resultado, todas as placas da direita ficam com carga negativa −Q, e todas placas da esquerda com carga +Q. Assim, as cargas nos capacitares conectados em série são as mesmas. Da figura (a), vemos que a voltagem ∆V entre os terminais da bateria é dividida entre os capacitores ∆V = ∆V1 + ∆V2 Em geral, a diferença de potencial entre qualquer número de capacitores conectados em série é a soma da diferença de potencial sobre cada capacitor individualmente. E como as cargas nos capacitores são as mesmas, as voltagens sobre eles são ∆V1 = Q C1 ∆V e ∆V2 = Q C2 Suponha que nós desejamos trocar esses capacitores por um capacitor equivalente tendo uma capacitância Ceq, conforme figura (c). O efeito desse capacitor no circuito deve ser o mesmo do conjunto de capacitores anteriores, isto é, esse capacitor equiva- lente deve armazenar carga −Q na placa da direita e carga +Q na placa da esquerda quando conectado a d.d.p de ∆V dos terminais da bateria. Assim, para o capacitor equivalente, ∆V = Q Ceq Substituindo essas três relações para as voltagens na equação da voltarem total do circuito, temos Q Ceq = Q C1 + Q C2 1 Ceq = 1 C1 + 1 C2 Assim, o inverso da capacitância equivalente de uma associação de capacitores em série é a soma algébrica dos inversos das capacitâncias individuais e é menor que qual-
  65. 65. 4.4. ENERGIA ARMAZENADA NUM CAPACITOR 59 quer uma das capacitância individuais. 1 Ceq = 1 C1 + 1 C2 + 1 C3 + . . . (em série) (4.3) Exemplo: Capacitância Equivalente Consideremos um circuito misto de capacitores, conforme figura (a). A capacitância equivalente entre a e b pode ser encontrada reduzindo as associações de capacitores como indicadas nas partes (b), (c), e (d), usando as regras de associações em série e paralelo. ba ( b) ba ( c) ba ( d) ba ( a) 4.4 Energia Armazenada num Capacitor Quanta energia deve estar armazenada num capacitor depois que o carregamos? Para calcular a energia armazenada num capa- citor durante o processo de carregamento, ima- ginemos que a carga é transferida mecanica- mente para o capacitor, de modo que o traba- lho necessário para adicionar uma carga dq ao capacitor é dW = ∆Vdq e sabendo que a diferença de potencial entre as placas do capacitor depende da carga q nele, podemos escrever dW = q C dq,
  66. 66. 60 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO ilustrado na figura. O trabalho total para carregar o capacitor desde uma carga q = 0 até a carga final q = Q é W = Q 0 q C dq = 1 C Q 0 q dq = Q2 2C O trabalho feito para carregar o capacitor aparece como energia potencial elétrica U armazenada no capacitor. Usando a capacitância, podemos expressar a energia po- tencial armazenada num capacitor carregado nas seguintes formas U = Q2 2C = 1 2 Q∆V = 1 2 C(∆V)2 (4.4) Podemos considerar a energia armazenada num capacitor como sendo armazenada no campo elétrico criado entre as placas quando o capacitor está carregado, pois o campo elétrico é proporcional a carga no capacitor. Para um capacitor de placas para- lelas, a diferença de potencial está relacionada com o campo elétrico através da relação ∆V = Ed, e sua capacitância é C = 0A/d. Substituindo essas expressões na energia, obtemos U = 1 2 0A d (Ed)2 = 1 2 ( 0Ad)E2 . Como o volume ocupado pelo campo elétrico é Ad, a energia por unidade de vo- lume uE = U/(Ad), conhecida como densidade de energia, é uE = 1 2 0E2 (4.5) Assim, a densidade de energia em qualquer campo elétrico é proporcional ao qua- drado da intensidade do campo elétrico num dado ponto. Para uma dada capacitância, a energia armazenada aumenta com o aumento da carga e com o aumento da diferença de potencial. Na prática, entretanto, há um limite de energia máxima (ou carga) que pode ser armazenada pois, em valores muito altos de voltarem, ocorre descarga elétrica entre as placas. 4.5 Materiais Dielétricos O que acontece quando colocamos um material isolante na presença de um campo elétrico externo? Consideremos um dielétrico feito de moléculas polares localizadas num campo elé- trico entre as placas de um capacitor. Os dipolos (isso é, as moléculas polares que formam o dielétrico) estão orientados aleatoriamente na ausência de um campo elé-
  67. 67. 4.5. MATERIAIS DIELÉTRICOS 61 trico, conforme figura (a). Quando um campo elétrico externo E0 devido ao capacitor é aplicado, conforme figura (b), um torque é exercido sobre os dipolos, fazendo com que eles se alinhem parcialmente com o campo. O grau de alinhamento das moléculas com o campo elétrico depende da temperatura e da intensidade do campo, em geral, aumentando com o aumento da temperatura e do campo. Se as moléculas do dielé- trico são apolares, então o campo elétrico externo produz alguma separação de cargas e num momento de dipolo induzido. E0 – + – + – + –+ –+–+ – + – + –+ –+ – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + E0 Eind – indσ indσ – – – – – – + + + + + + – – – – – – + + + + + + Em ambos materiais feitos de moléculas polares ou apolares, os campos elétricos induzidos pelos momentos de dipolos elétricos alinhados tendem a cancelar parcial- mente o campo externo original, figura (c). Assim, o campo elétrico resultante ET dentro do dielétrico é o campo original E0 mais o campo induzido Eind ET = E0 + Eind, ou ET = E0 − Eind. Notamos que o campo resultante dentro do dielétrico aponta na direção do campo externo original. O campo induzido depende do campo externo original na forma Eind = αE0, sendo α a polarizabilidade do meio material. Com isso, podemos escrever ET = (1 − α)E0, e denominando κ = 1/(1 − α) a constante dielétrica do meio material, vemos que o campo resultante no interior do meio dielétrico é reduzido de um fator κ ET = E0 κ (4.6) Além disso, o campo elétrico externo E0 está relacionado com a densidade de carga σ nas placas através da relação E0 = σ/ 0, e o campo elétrico induzido Eind no die- létrico está relacionado com a densidade de carga induzida σind, conforme figura (b),
  68. 68. 62 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO através da relação Eind = σind/ 0. Como ET = E0/κ = σ/(κ 0), temos σ κ 0 = σ 0 − σind 0 e σind = κ − 1 κ σ (4.7) Como κ > 1, essas expressões mostram que o campo elétrico no interior do dielé- trico ET é reduzido, e a densidade de carga induzida σind no dielétrico é menor que a densidade de cargas nas placas. Existe, porém, um valor crítico para o campo externo, consequentemente para a diferença de potencial, acima do qual o material deixa de ser isolante, e ocorre ou uma descarga elétrica ou uma ruptura do isolamento. Esse campo elétrico crítico fornece a rigidez dielétrica do material, que é medida pelo módulo do campo elétrico mínimo acima do qual se produz a ruptura do dielétrico. 4.6 Capacitores com Dielétricos Quando inserimos um dielétrico no interior de um capacitor o que acontece com a capacitância? Aumenta, diminui, ou não se modifica? Podemos analisar o seguinte experimento para ilustrar o efeito de um dielétrico num capacitor. + – + – Consideremos um capacitor de placas paralelas isolado que sem o dielétrico, con- forme figura (a), tem uma carga Q0 e uma capacitância C0, de modo que a diferença de potencial entre as placas é ∆V0. Se um dielétrico é agora inserido entre as placas, conforme figura (b), a diferença de potencial ∆V entre as placas deve ser reduzida de
  69. 69. 4.6. CAPACITORES COM DIELÉTRICOS 63 um fator κ pois o campo no interior do capacitor foi reduzido do mesmo fator, desta forma ∆V = ∆V0 κ . Como a carga Q0 no capacitor não mudou, concluímos que a capacitância deve mudar para o valor C = Q0 ∆V = Q0 ∆V0κ = κ Q0 ∆V0 então C = κC0 (4.8) Isso é, a capacitância aumenta de um fato κ quando um dielétrico preenche com- pletamente a região entre as placas.
  70. 70. 64 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO Exemplo: Capacitor parcialmente preenchido Consideremos um capacitor de placas paralelas com separação entre as placas d, que tem capacitância C0 na ausência de um dielétrico, preenchido com dielétrico de cons- tante κ e espessura d/3 conforme figura (a). Podemos imaginar o conjunto da figura (a) como sendo dois capacitores C1 e C2 associados em série, conforme figura (b). Usando o resul- tado da capacitância de um capacitor de placas paralelas, temos C1 = κ 0A d/3 e C2 = 0A 2d/3 . Como associamos em série, a capacitância equi- valente é dada por 1 C = 1 C1 + 1 C2 = d/3 κ 0A + 2d/3 0A então C = 3κ 2κ + 1 0A d e como a capacitância sem o dielétrico é C0 = 0A/d, podemos escrever C = 3κ 2κ + 1 C0
  71. 71. 4.7. LISTA DE EXERCÍCIOS 65 4.7 Lista de Exercícios 1. Um capacitor esférico é constituído por dois condutores esféricos concêntricos. O condutor esférico interno possui raio externo b. O condutor externo é uma casca muito fina de raio externo c. A superfície interna (de raio b) possui carga Q e a superfície externa (de raio c) carga oposta. (a) Determine a diferença de potencial entre as superfícies. (b) Determine a capacitância desse capacitor. (c) Esses resultados mudariam se o condutor interno fosse uma casca esférica oca de raio b? Por que? 2. Considere dois fios longos, paralelos, e opostamente carregados de raio d com seus centros separados por uma distância D. Assuma que a carga está distribuída uniformemente na superfície de cada fio, mostre que a capacitância por unidade de comprimento desse par de fios é C l = π 0 ln[(D − d)/d] 3. Você possui um conjunto de n capacitores idênticos de capacitância C0. Deter- mine a capacitância do capacitor equivalente ao circuito quando (a) todos os ca- pacitores estão em paralelo; (b) todos os capacitores estão em série; (c) quando metade dos capacitores estão ligados em série ligados a outra metade que está em paralelo. 4. Um capacitor de placas paralelas e planas está ligado a uma diferença de poten- cial V de uma bateria. Sem desconectar a bateria, afasta-se uma das placas, de modo que a nova distância entre as placas seja igual ao triplo da distância origi- nal. Calcule (a) a nova capacitância em função da capacitância inicial; (b) a carga acumulada em função da carga inicial; (c) a energia armazenada em função da energia inicial. 5. Dois capacitores C1 e C2 estão carregados na mesma diferença de potencial inicial ∆Vi. Os capacitores carregados são removidos da bateria, e suas placas são co-
  72. 72. 66 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO nectadas com polaridade oposta como na figura (i). As chaves S1 e S2 são então fechadas, como na figura (ii). (a) Determine a diferença de potencial final ∆Vf entre a e b após fechar as chaves. (b) Determine a energia total armazenada nos capacitores antes e depois das chaves serem fechadas e razão entre a energia final e a inicial. + – + ba – – + + ba – 6. Uma esfera de material dielétrico homogêneo de raio R está uniformemente car- regada com densidade volumétrica de carga ρ. Determine (a) o campo elétrico E dentro e fora da esfera. (b) a densidade de energia elétrica em cada ponto do espaço. (c) a energia elétrica total do campo elétrico produzido por esta esfera em todo o espaço. (Sugestão: Integre a densidade de energia do item (b) em todo o espaço.) 7. Suponha que a rigidez dielétrica do ar seja dada por um campo crítico Emax acima do qual ocorre descarga para o ar, que tem constante dielétrica κ. Determine a expressão da carga máxima que pode ser acumulada na superfície de uma esfera condutora de raio R. 8. Um capacitor de placas paralelas vertical está preenchido até a metade por um dielétrico de constante κ (figura (a)). Quando o capacitor é posicionado horizon- talmente (figura (b)), que fração dele deve ser preenchida com o mesmo dielétrico para que os dois capacitores tenham a mesma capacitância. 9. Um capacitor de placas paralelas planas de área A e distância d entre as placas está totalmente preenchido por três dielétricos de constantes κ1, κ2 e κ3, de mesma área A e mesma espessura igual a d/3. Mostre que a capacitância desse capacitor é C = 3 0Aκ1κ2κ3 d(κ1κ2 + κ1κ3 + κ2κ3)
  73. 73. 4.7. LISTA DE EXERCÍCIOS 67 Young & Freedman: 24.62, 24.66, 24.68, 24.71, 24.72, 24.76.
  74. 74. 68 CAPÍTULO 4. CAPACITÂNCIA E DIELÉTRICO
  75. 75. Capítulo 5 Corrente, Resistência e Força Eletromotriz Nesse capítulo, estudaremos a definição de corrente, com descrição microscópica, as definições de resistência elétrica e introduzimos o resistor, como uma força eletro- motriz possibilita o fluxo de corrente em um circuito, e por fim, como obter as energia e potência em circuitos. 5.1 Corrente Elétrica O que acontece ao ligarmos por um fio metálico às placas de um capacitor carre- gado? Como não pode haver equilíbrio eletrostático, pois as extremidades do fio condutor estão em potenciais diferentes, há movimento de cargas, ou seja, uma corrente elétrica passa através do fio quando a conexão é feita. A intensidade da corrente elétrica i que atravessa uma dada seção de um fio condutor é definida como a quantidade de carga dq que atravessa esta seção num dado intervalo de tempo dt, de modo que po- demos escrever i ≡ dq dt . (5.1) A unidade de corrente elétrica no SI é o Ampère, que passa a definir a unidade de Coulomb. Assim, numa corrente de 1A, a secção do fio é atravessada a cada segundo por 1C de carga, equivalente a 6.2 × 1018 C. 69
  76. 76. 70 CAPÍTULO 5. CORRENTE, RESISTÊNCIA E FORÇA ELETROMOTRIZ Por motivos históricos, é convencional definir a corrente tendo a mesma direção do fluxo de cargas positivas. Em condutores elétrico, tais como cobre e alumínio, a cor- rente é devido ao movimento de elétrons. Portanto, num metal, a direção da corrente num condutor é oposta ao fluxo de elétrons. Numa lâmpada fluorescente, os porta- dores de cargas são tanto elétrons como íons positivos do gás, que se deslocam em sentidos opostos sob a ação do campo de descarga. 5.1.1 Modelo Microscópico para Corrente Podemos relacionar a corrente elétrica com o movimento de cargas através de um modelo microscópico de condução num metal. Num condutor isolado, isto é, a diferença de potencial é zero nele, os elétrons se movem num movimento aleatório que é análogo ao movimento das moléculas num gás. Quando uma diferença de potencial é aplicada nesse condutor, um campo elétrico aparece nesse condutor exercendo uma força nos elétrons, produzindo uma corrente. Contudo, os elétrons não se movem em linhas retas através do condutor, pois colidem repeditademnte com os átomos do metal, e seu movimento resultante é complicado em zig-zag. Apesar das colisões, os elétrons se movem vagarosamente através do con- dutor (na direção oposta de E) com a velocidade de arrasto vD, conforme figura (a). – Agora, consideremos um comprimento ∆x de um condutor de seção transversal A, de modo que o volume dessa região é A∆x, conforme figura (b). Se n é o número de portadores de carga por unidade de volume, o número de portadores nessa região é nA∆x. Assim, a carga total ∆Q nessa região é ∆Q = (nA∆x)q onde Q é a carga de cada portador. Se os portadores se movem com velocidade de arrasto vD, devido à influência do campo elétrico externo, o intervalo de tempo que leva para atravessarem essa região é dado pela relação ∆x = vD∆t. Esse intervalo de
  77. 77. 5.1. CORRENTE ELÉTRICA 71 tempo é aquele necessário para todas as cargas no cilindro passarem de uma extremi- dade a outra. Com isso, podemos escrever ∆Q = (nAvD∆t)q Se dividirmos ambos os lados da equação por ∆t, a corrente elétrica média nesse condutor é imed = ∆Q ∆t = nqAvD E com isso, temos uma densidade de corrente elétrica j percorrendo o fio que é dada por j = i A = nqvd ou j = nqvd (5.2) Exemplo: Velocidade de Arrasto no Fio de Cobre Consideremos um fio de cobre de área de seção transversal A = 3 × 10−6 m2, cuja densidade é de 8.95 g/cm3 e massa molar igual a 63.5 g/mol, por onde passa uma corrente de 10 A. A densidade de portadores de carga (para o cobre, elétrons) é dada por n = ρ µ NA = (8.95 g/cm3) (63.5 g/mol) (6.22 × 1023 ) = 8.8 × 1028 e− /m−3 . Assim, a velocidade de arrasto no fio é determinada pela corrente através de vd = i nqA = (10 A) (8.8 × 1028 e−/m−3)(1.6 × 10−19 C)(3 × 10−6 m2) = 0.2 mm/s. Desta forma, um elétron demoraria aproximadamente 1.5 horas para percorre um tre- cho de 1 m nesse fio. O fato é que não é necessário que o elétron chegue até o equipa- mento para acioná-lo, basta que o campo elétrico se propague pelo fio e faça com que todos os elétrons se movimentem na mesma direção. O campo elétrico se propaga com a velocidade da luz no meio material!
  78. 78. 72 CAPÍTULO 5. CORRENTE, RESISTÊNCIA E FORÇA ELETROMOTRIZ 5.2 Lei de Ohm e Condutância Anteriormente vimos que o campo elétrico no interior em equilíbrio eletrostático é nulo, porém quando as cargas no condutor não estão em equilíbrio é possível que haja um campo elétrico em seu interior. Em alguns materiais, a densidade de corrente elétrica é proporcional ao campo elé- trico j = σE (5.3) onde a constante de proporcionalidade sigma é denominada condutividade do ma- terial. Materiais que obedecem essa relação são conhecidos como materiais ôhmicos, em homenagem a Georg Simon Ohm que descobriu essa relação empírica válida somente para certos materiais. Consideremos agora um pequeno trecho de um fio de comprimento L e seção trans- versal uniforme de área A, conforme figura. Uma diferença de potencial ∆V = Vb − Va é mantida ao longo do fio, criando no interior do fio um campo elétrico e portanto uma corrente. Se o campo puder ser considerado uniforme, a diferença de potencial está relacionada com o campo através da relação ∆V = EL Assim, podemos expressar a intensidade da densidade de corrente no fio como sendo j = σE = σ ∆V L , como j = i/A, podemos escrever ∆V = L σ j = L σA i = Ri. A quantidade R = L/σA é denominada resistência elétrica do fio, que no SI tem unidades ohm, equivalente a Volt por Ampère, Ω = V/A. Assim, a relação entre a
  79. 79. 5.2. LEI DE OHM E CONDUTÂNCIA 73 diferença de potencial sobre um fio e a corrente elétrica criada no mesmo é dada pela famosa Lei de Ohm, escrita na forma ∆V = Ri (5.4) O inverso da condutividade é a resistividade ρ ρ = 1 σ , (5.5) como R = L/σA, podemos expressar a resistência de um fio condutor de material homogêneo e isotrópico como R = ρ L A . (5.6) Materiais que são bom condutores de eletricidade apresentam resistividade baixa, como o cobre cuja resistividade é da ordem de 10−8 Ω.m, enquanto que materiais iso- lantes apresentam alta resistividade, como o quartzo cuja resistividade é da ordem de 1016 Ω.m. Além disso, a resistividade, num certo intervalo de temperatura, varia apro- ximadamente linearmente com a temperatura de acordo com a expressão ρ = ρ0[1 + α(T − T0)] (5.7) onde ρ é a resistividade em alguma temperatura T, ρ0 é a resistividade em alguma temepratura de referência T0, e α o coeficiente de temperatura da resistividade. 5.2.1 Modelo Microscópico para Condutividade Podemos pensar num condutor como sendo uma rede regular de átomos mais um conjunto de elétrons livres, que podemos chamar de elétrons de condução. Não há cor- rente elétrica no condutor na ausência de um campo elétrico externo pois a velocidade de arrasto dos elétrons é zero, isto é, na média o movimento dos elétrons é zero, con- forme figura (a). – – –– – – – –
  80. 80. 74 CAPÍTULO 5. CORRENTE, RESISTÊNCIA E FORÇA ELETROMOTRIZ Com a presença do campo elétrico externo a situação muda, além do movimento aleatório devido à agitação térmica, o campo elétrico E causa um arrasto dos elétrons numa direção oposta àquele campo E, conforme figura (b). Quando um elétron livre de massa m e carga q está sujeito a um campo elétrico E, ele sofre uma forçca F = qE. Como essa força está relacionada com a aceleração do elétron através da segunda lei de Newton, F = ma, concluímos que a aceleração do elétron é a = qE m Essa aceleração, que ocorre somente em um curto intervalo de tempo entre colisões, permite ao elétron adquirir uma pequena velocidade de arrasto. Se vi é a velocidade inicial do elétron no instante após a colisão (que ocorre num tempo que definiremos como t = 0), então a velocidade do elétron num tempo t (no qual ocorre a próxima colisão) é vf = vi + at = vi + qE m t Em seguida, tomamos uma média sobre todos os valores possíveis de vf e vi du- rante um intervalo de tempo médio entre sucessivas colisões τ. Como a distribuição das velocidades iniciais é aleatória, o valor médio de vi é zero. De modo que, v ( f med) = vd = qE m τ Relacionando essa expressão para a velocidade de arrasto com a corrente num con- dutor, encontramos que a densidade de corrente é j = nqvd = nq2E m τ. Comparando essa expressão com a lei de Ohm, j = σE, obtemos as seguintes rela- ções para condutividade e resistividade do material σ = nq2τ m (5.8) ρ = 1 σ = m nq2τ (5.9) E de acordo com esse modelo clássico, a condutividade e a resistividade do material não depende da intensidade do campo elétrico externo. O tempo médio entre colisões τ está relacionado com a distância média entre colisões l (ou livre caminho médio) e a
  81. 81. 5.3. POTÊNCIA ELÉTRICA E EFEITO JOULE 75 velocidade média ¯v através da expressão τ = l/ ¯v. 5.3 Potência Elétrica e Efeito Joule Agora que sabemos que corrente é efetivamente o movimento das cargas no interior de um condutor, quanta energia deve ser gasta para realizar esse movimento? Para mover uma quantidade de carga dq = idt entre uma diferença de potencial ∆V, a quantidade de energia necessária é igual ao trabalho dW = (idt)∆V de modo que a potência da fonte, ou seja, da bateria deva ser Pot = dW dt = i∆V (5.10) No caso de um material condutor, podemos usar a lei de Ohm para determinar a potência dissipada pelo condutor em formas alternativas Pot = Ri2 = (∆V)2 R (5.11) Assim, a energia fornecida pela bateria para o movimento das cargas num condutor acaba sendo dissipada na forma de calor devido a resistência do objeto, tal fenômeno é conhecido como efeito Joule. Efeitos como esse são o que permitem utilizar energia elétrica para gerar calor, como num chuveito elétrico. De fato, podemos pensar nas colisões átomos-elétrons num condutor como uma fricção interna efetiva similar aquela sentidas pelas moléculas de um líquido fluindo através de um duto. A energia transferida dos elétrons para os átomos do metal du- rante as colisões causa aumento da energia de vibração dos átomos e um correspon- dente aumento na temperatura do condutor.

×