Apostila de Física 24 – Condutores em Equilíbrio Eletrostático

Apostila de Física 24 – Condutores em
Equilíbrio Eletrostático
1.0 Condutor em Equilíbrio Eletrostático
Não ocorre movimento ordenado de cargas elétricas em relação a um referencial
fixo no condutor.
O campo elétrico resultante nos pontos internos do condutor é nulo.
Se o campo elétrico não fosse nulo, os elétrons estariam em movimento
ordenado – Contraria a hipótese de o condutor estar em equilíbrio eletrostático.
O potencial elétrico em todos os pontos internos e superficiais do condutor é
constante:
Superfície equipotencial.
Nos pontos da superfície de um condutor em equilíbrio eletrostático, o vetor
campo elétrico tem direção perpendicular à superfície.
Se o potencial elétrico não fosse constante, os elétrons estariam em movimento
ordenado, deslocando-se para regiões de maior potencial – Contraria a hipótese de o
condutor estar em equilíbrio eletrostático.
Potencial elétrico em todos os pontos de um condutor em equilíbrio eletrostático
– Potencial elétrico do condutor.
1.1 Distribuição das Cargas Elétricas em Excesso
O condutor em equilíbrio eletrostático possui um excesso de cargas elétricas
positivas ou negativas.
Cargas em excesso possuem o mesmo sinal, ocasionado repulsão – Distribuemse por sua superfície externa.
2.0 Campo e Potencial Elétrico
A carga ‘Q’ é puntiforme e está localizada no centro da esfera.
Para os pontos externos à esfera:
R – Raio.
d – Distância do ponto até a superfície do condutor.
Para os pontos próximos à superfície da esfera:
Para os pontos na superfície da esfera – Campo elétrico reduzido à metade:
Para os pontos internos na esfera – Campo elétrico é nulo:
O Potencial elétrico interno e superficial são iguais:
Gráficos em função da distância:
Potencial Elétrico em cargas positivas:
Potencial Elétrico em cargas negativas:
3.0 Densidade Elétrica Superficial
Densidade elétrica:
A – Área da superfície do condutor.
Para superfícies esféricas:
Poder das pontas:
Considere um condutor em equilíbrio eletrostático esférica com uma
ponta.
A região mais pontiaguda possui maior densidade superficial – Maior
concentração de cargas nessa região.
O Campo elétrico nessa região é mais intenso.
Efeito corona – Ionização doa r nas proximidades da ponta.
4.0 Terra – Potencial Elétrico de Referência
O potencial elétrico aumenta a partir da superfície terrestre no sentido
ascendente – O campo elétrico produzido pela Terra é orientado para baixo (carga
negativa).
A Terra é um grande condutor carregado e em equilíbrio eletrostático – Em
todos os seus pontos, o potencial elétrico (VT) é constante.
O potencial elétrico da Terra está presente em todas as equações acima:
VT = 0
5.0 Blindagem Eletrostática
Considere um condutor oco ‘A’ em equilíbrio eletrostático e em seu interior um
corpo ‘C’.
Campo eletrostático no interior de um condutor é nulo – O condutor ‘A’ protege
o corpo ‘C’ de qualquer ação elétrica externa.
Outro condutor ‘B’ pode induzir as cargas elétricas do condutor ‘A’, mas não as
do corpo ‘C’. – Blindagem eletrostática.
Uma tela metálica envolvendo certa região, a estrutura de um avião, um carro ou
um ônibus também são consideradas como blindagem eletrostática.
Função:
Proteção de aparelhos elétricos e eletrônicos.
Proteção de aparelhos de medidas sensíveis.
5.1 Gaiola de Faraday
Demonstra que condutores carregados eletrizam-se apenas em sua superfície
externa.
O próprio Faraday entrou em sua invenção enquanto seus assistentes eletrizavam
a gaiola.
Originou a utilização das blindagens eletrostáticas.
6.0 Eletricidade na Atmosfera
Nuvens do tipo cúmulo-nimbo resultam tempestades e são eletrizadas –
Produzem campos elétricos.
Quando esses campos elétricos aumentam, ionizam o ar, formando uma descarga
elétrica sob forma de faísca – Raios.
O raio é formado por cargas elétricas em movimento ordenado – Invisível.
A luz que acompanha o raio é consequência da ionização do ar – Relâmpago.
O elevado aquecimento do ar se expande, produzindo uma onda sonora de
grande amplitude – Trovão.
As nuvens que produzem raios apresentam cargas positivas na parte superior e
cargas negativas na parte inferior.
Os raios da nuvem para o solo apresentam cargas, em geral, negativas.
A ddp entre a parte inferior e a parte superior varia de 10 a 100 milhões de volts.
O Brasil é o país que apresenta o maior acontecimento de raios do mundo.
6.1 Formação do Raio Negativo da Nuvem para o Solo
Considere uma nuvem com cargas negativas na sua parte inferior.
No solo são induzidas cargas elétricas positivas – Formação de um campo
elétrico intenso.
Inicia-se uma descarga elétrica que parte da nuvem em direção ao solo que
segue trajetórias onduladas através das regiões de maiores condutividades – Descarga
líder.
A descarga elétrica líder é pouco visível e provoca ionização do ar – A região
entre a nuvem e o solo passa a funcionar como um condutor.
Quando a descarga líder chega próximo ao solo, outra descarga parte do solo
para o encontro da descarga líder – Descarga conectante.
A partir do instante do encontro, estabelece a descarga principal – Descarga de
retorno.
A partir daí, cargas elétricas negativas da nuvem dirigem-se ao solo.
O processo acima pode ocorrer várias vezes num tempo extremamente pequeno.
6.2 Pára-Raios
Oferece um caminho mais eficiente para as descargas elétricas atmosféricas.
Protege construções altas ou inflamáveis.
6.2.1 Pára-Raios de Franklin
Criado por Benjamin Franklin (1706-1790).
Formado por uma haste condutora verticalmente na parte mais alta da estrutura a
ser protegida.
A extremidade superior apresenta pontas de material com elevado ponto de
fusão.
A extremidade inferior é ligada, por meio de condutores metálicos, a barras
metálicas cravadas no solo.
De acordo com a ABNT, a campo de proteção oferecido pela haste é aquele
abrangido por um cone tendo um vértice de ângulo de 60° com a vertical.
6.2.2 Pára-Raios Radioativos
Há isótopos radioativos no material que constitui a ponta – Mais eficiente.
Causa problemas ambientais – Seu uso é proibido.