Aula-2 O campo elétrico Curso de Física Geral F-328 1º semestre, 2013 F328 – 1S20123 1 O Campo Elétrico Pelo princípio da superposição, vimos que a força que um conjunto de cargas puntiformes q1, q2,...., qn exerce sobre uma carga de prova q0 é dada por: F0 = F01 + F02 + ... + F0 n , n 1 q0 qi r̂0i , que pela lei de Coulomb se escreve como F0 = ∑ 2 i=1 4πε 0 r0i r0i r0 − ri onde r̂0i = ≡ | r0i | | r0 − ri | r0 − ri qi • ri • r0 q0 F0 = Assim, podemos definir um grandeza E ≡ q0 O n ∑ i =1 1 qi rˆ , 2 0i 4πε 0 r0i que só depende da distribuição das cargas q1, q2,...., qn e das suas distâncias ao ponto onde q0 se encontra. F328 – 1S20123 2 O Campo Elétrico O campo elétrico devido a uma distribuição discreta de cargas q1, q2,..., qn em um dado ponto r0 é dado por: n F0 1 qi E≡ =∑ r̂ 2 0i q0 i=1 4πε 0 r0i Para medir o campo devido à distribuição de cargas, devemos medir a força exercida por esse conjunto de cargas sobre uma carga de prova q0 e dividir pelo próprio valor de q0. Para que não haja influência da carga de prova sobre a distribuição de cargas, devemos a carga q0 deve ser a menor possível. Ou seja: F0 E ≡ lim q0 →0 q 0 F328 – 1S20123 3 Campo Elétrico vs Campo Gravitacional Podemos fazer uma analogia entre o campo gravitacional e o campo elétrico. Força Gravitacional Mm FG = G 2 r̂ r Força Eletrostática Numa distribuição fixa de cargas (veja figura abaixo) Qq FE = k 2 r̂ r F2 F1 F328 – 1S2013 Fn No caso da Terra, ou seja uma distribuição fixa de massa, teremos: q ⎛ GM Terra ⎞ FG = P = m ⎜ 2 r̂ ⎟ = mg ⎝ RTerra ⎠ ⎛ 4 q ⎞ i FE = q ⎜ ∑ k r̂i ⎟ = qE ⎜⎝ i=1 r ⎟⎠ i q1 q2 qn Campo Gravitacional g Campo Elétrico E 4 Linhas de Força As linhas de força são linhas a partir das quais pode-se visualizar a configuração do campo elétrico de uma dada distribuição de cargas no espaço. Elas são traçadas de forma que: a) A tangente a cada ponto da linha é a direção do campo elétrico; b) O número de linhas por unidade de área de uma supefície perpendicular à direção das linhas é proporcional ao módulo do campo; c) As linhas saem das cargas positivas e chegam nas cargas negativas. Duas linhas de campo nunca se cruzam. F328 – 1S20123 5 Linhas de Força Duas cargas iguais Cargas +2q e -q F328 – 1S20123 Um dipolo elétrico Dada uma distribuição de cargas, o campo elétrico criado pela distribuição em qualquer ponto do espaço é dado pelo princípio da superposição : E = E1 + E 2 +...+ E n , onde Ei é o campo criado por cada parte individual da distribuição. http://www.falstad.com/emstatic/index.html 6 Alguns Campos Elétricos Importantes Carga puntiforme 1 q E= rˆ 2 4πε 0 r Dipolo elétrico Ao longo da linha que une as cargas e para z >> d : 1 p , E = E( + ) − E( − ) ≈ 2πε 0 z 3 onde p é o módulo do momento de dipolo elétrico dado por: p ≡ qd F328 – 1S20123 7 Distribuição Contínua de Cargas ẑ dq(r ′) r − r′ r r′ dE (r , r ′) ŷ x̂ E (r ) = 1 dq(r ′) 2 uˆ (r , r ′) ′ 4 πε | r − r | 0 (V , S ou L ) ∫ onde F328 – 1S20123 P dE (r , r ′) r − r′ uˆ (r , r ′) ≡ | r − r′| 8 Distribuição Contínua de Cargas dq dq densidade linear: λ = dl ou : dq = λ dl dq dq densidade superficial: σ = dA ou : dq = σ dA dq F328 – 1S20123 dq densidade volumétrica: ρ = dV ou : dq = ρ dV 9 Distribuição Contínua de Cargas Campo devido a um anel uniformemente carregado com carga q: Ao longo do eixo perpendicular ao plano do anel e que passa pelo seu centro o campo é dado por: E= qx xˆ 2 2 3/ 2 4πε 0 ( x + a ) Note que em pontos bem longe do anel (x >> a): E≈ q 4πε 0 x 2 xˆ dE (campo semelhante ao de uma carga puntiforme) F328 – 1S20123 10 Distribuição Contínua de Cargas Campo devido a uma haste isolante em forma de arco circular uniformemente carregada com carga -Q No centro do arco circular de raio r o campo é dado por: 0,83Q E≈ F328 – 1S20123 4πε 0 r 2 xˆ 11 Distribuição Contínua de Cargas Campo devido a um disco de raio R uniformemente carregado com densidade superficial de carga σ. Ao longo do eixo perpendicular ao plano do disco e que passa pelo seu centro o campo é dado por: σ ⎛x ⎞ x E= ⎜⎜ − 2 2 1/ 2 ⎟⎟ xˆ 2ε 0 ⎝ |x| ( x + R ) ⎠ Note que se R >> x (ou plano infinito) : dE σ x E≈ xˆ 2ε 0 |x| F328 – 1S20123 12 Fio infinito com densidade de carga linear Contribuição dE devida ao elemento de carga dq (=λdz): 1 dq 1 λdz dE = = 4πε 0 r 2 4πε 0 z 2 + x 2 z + dz + As componentes dEz cancelam-se por simetria e + z + dE x = dE cosθ +∞ + E x = ∫ dE x = ∫ dE cosθ = + −∞ + ∞ λ ∞ dz + = 2∫ dE cosθ = cosθ 2 2 ∫ 2 πε z + x 0 0 0 + + dz = x sec2 θ dθ z Faz-se: tgθ = ∴ x r x θ P dEz dE x x dE x 2 + z 2 = x 2 (1+ tg 2θ ) = x 2 sec 2 θ Substituindo estas duas relações no integrando acima, tem-se: λ π /2 λ λ π /2 E= cos θ d θ = [ sen θ ] = 0 2πε 0 x ∫0 2πε 0 x 2πε 0 x F328 – 1S20123 13 Movimento de uma carga num campo elétrico 2 d r F = m 2 = qE dt Experiência de Millikan: http://www.youtube.com/watch?v=UFiPWv03f6g O peso de uma gotícula carregada pode ser equilibrado pela ação de um campo elétrico. A condição de equilíbrio é: 4 π R 3 ρ g = qE 3 q = ne, onde n = ±1,±2,... F328 – 1S20123 e = 1,6 ×10−19 C 14 Movimento de uma carga num campo elétrico Impressora de jato de tinta Mantém-se o campo elétrico fixo e varia-se a carga da gota de tinta. 1 2 1 QE 2 y − y0 = a t = t 2 2 m L = v0 t Eliminando-se t nas duas equações, obtém-se a deflexão vertical da gota em x=L: QEL2 y − y0= 2mv02 F328 – 1S20123 15 Dipolo num campo elétrico uniforme Torque τ = Fd sin θ = qEd sin θ = pE sin θ τ = p× E Energia potencial θ U (θ ) − U (θ 0 ) = W = ∫τ dθ = − pE (cosθ − cosθ 0 ) θ0 Se escolhermos θ0 = π 2 : U = −p⋅E F328 – 1S20123 16 Dipolo num campo elétrico Forno de micro-ondas F328 – 1S20123 17 Lista de exercícios – Capítulo 22 Os exercícios sobre Carga Elétrica estão na página da disciplina : (http://www.ifi.unicamp.br). Consultar: Graduação à Disciplinas à F 328-Física Geral III Aulas gravadas: http://lampiao.ic.unicamp.br/weblectures (Prof. Roversi) ou UnivespTV e Youtube (Prof. Luiz Marco Brescansin) F328 – 1S2013 18