AULA 03 O FLUXO ELÉTRICO. Eletromagnetismo - Instituto de Pesquisas Científicas

Transcrição

1 ELETROMAGNETISMO

2 AULA 03 O FLUXO ELÉTRICO

3 Vamos supor que exista certa superfície inserida em uma campo elétrico. Essa superfície possui uma área total A. Definimos o fluxo elétrico dφ através de um elemento de área da dessa superfície como: dφ = E nda = E d A Onde n é o vetor normal à superfície. Em módulo: dφ = EdAcosθ A unidade do fluxo elétrico é Nm²/C.

4 Podemos calcular o fluxo total integrando toda a área. Agora, vamos supor que nossa superfície seja fechada. Para calcular o fluxo total nessa superfície fazemos: φ = S. E d A Note que esse resultado é um escalar e não um vetor (é a integral de um produto escalar). A integral com um círculo nos diz que a superfície S a qual estamos fazendo a integração é fechada.

5 Como exemplo, tomemos uma carga elétrica e ao redor dela vamos desenhar uma superfície esférica. Logo, haverá um campo elétrico atravessando essa superfície (direcionado para fora da carga) então há um fluxo elétrico. Essa superfície esférica possui um raio r, de modo que a carga elétrica esteja bem no centro. Logo, o fluxo elétrico será: φ = EA = E4πr² Nós sabemos que o campo elétrico gerado pela carga na superfície é: q E = 4πε 0 r² Portanto, o fluxo será: φ = q ε 0

6 O fluxo independe do tamanho da superfície. Na verdade, o fluxo depende apenas da carga interna à essa superfície. A equação que encontramos anteriormente nos diz isso. Não importa o formato da superfície em torno da carga: o fluxo depende apenas da carga elétrica em si! Esse é um resultado muito importante. Se tivermos mais de uma carga no interior da superfície então o fluxo será: φ = E d A = ΣQ in ε 0 Onde ΣQ in é o somatório de todas as cargas internas à superfície. À superfície damos o nome de superfície gaussiana e a equação acima é chamada de lei de Gauss. A lei de Gauss é sempre válida, mas nem sempre é util. Podemos utiliza-la sem medo de ser feliz se estivermos analisando um caso com simetria adequada.

7 Uma superfície esférica condutora de raio R está desenhada na imagem ao lado. Há uma carga Q na parte externa da esfera. Queremos determinar qual o valor do campo elétrico em um ponto r1 dentro da esfera e em um ponto r2 fora da esfera. Qual a melhor maneira de resolver isso?

8 Podemos aplicar diretamente a lei de Gauss (pois esse é um problema simétrico). A primeira coisa a se fazer é desenhar duas superfícies gaussianas. A superfície s1 é a que passa pelo ponto interno à esfera e possui raio r1. A superfície s2 é a que passa pelo ponto externo à esfera e possui raio r2.

9 Pela lei de Gauss temos 4πr 2 E = Q/ε 0. Então, para a superfície 1: 4πr 2 1 E = Q ε 0 E = Q 4πr 2 1 ε 0 Mas lembre-se que a lei de Gauss diz que a carga em questão tem de estar interna a superfície gaussiana. Como a carga Q está fora dessa superfície, então a mesma vale zero. Portanto, o campo elétrico no ponto interno à esfera condutora é zero! Para a superfície 2, o caso é diferente. A carga está dentro de nossa gaussiana, então: E = Q 4πr 2 2 ε 0 Esse resultado é conhecido por nós. Ele nada mais é do que o campo elétrico em um ponto P gerado por uma carga Q. Note que esse resultado é equivalente à carga estar no centro da nossa superfície.

10 Se temos um material condutor, a lei de Gauss nos diz que as cargas elétricas nesse material irão se distribuir pela superfície do mesmo (as cargas buscam a estabilidade e a encontram na superfície). Se tivermos uma esfera carregada, o campo elétrico deve ser nulo em seu interior e máximo na superfície.

11 Temos agora uma superfície plana infinitamente grande e carregada. A densidade de cargas sobre essa superfície é dada por σ = Q/A. Queremos calcular o campo elétrico a uma distância do plano. Para isso, podemos traçar uma superfície gaussiana de modo a interceptar esse plano. Há três condições que devem ser satisfeitas: 1 - Os extremos da superfície gaussiana são iguais e paralelos ao campo. 2 - As paredes da superfície são perpendiculares ao plano. 3 - As distâncias d são exatamente iguais.

12 A superfície gaussiana escolhida é cilíndrica de modo a tornar o problema mais simétrico. Nossa superfície intercepta o plano, de modo que o campo elétrico atravessa a superfície superior e a inferior. Logo, pela lei de Gauss: φ = E d A = E2A Como o campo atravessa duas superfícies de área A, então temos 2A.

13 A partir da densidade de cargas, encontramos que: Da lei de Gauss: σ = Q A Q = σa φ = Q ε 0 = σa ε 0 Como para esse caso o fluxo também é igual a E2A: σa ε 0 = E2A Portanto, isolando o campo elétrico: E = σ 2ε 0

14 Lembrando do resultado que encontramos na aula anterior para um disco carregado: E z = σ 2ε 0 1 z R 2 + z 2 1/2 Note que se z tender a zero ou R tender a infinito, o disco irá se tornar um plano. Tanto para um caso, quanto para o outro, o resultado final será: E z = σ 2ε 0 Que é o resultado encontrado a partir de Gauss.

15 Uma superfície gaussiana cilíndrica está contida em uma campo elétrico como mostra a figura. Qual é o fluxo elétrico através da superfície? Separamos a superfície em três partes importantes. A parte a possui o vetor normal da área apontando para a esquerda, em sentido oposto ao do campo elétrico. A parte b (a lateral da superfície) possui o vetor normal perpendicular ao campo elétrico. A parte c possui o vetor normal apontando na mesma direção do campo elétrico.

16 O fluxo total é a soma dos fluxos nessas três regiões. Portanto, para a região 1, ou região a: φ 1 = EAcosθ = EA O sinal negativo mostra que os vetores do campo elétrico e da área tem sentidos opostos (cosseno de 180 ). Para a região 2, ou b: φ 2 = EAcosθ = 0 Pois nesse caso temos cosseno de 90. Por fim, para a região 3, ou c: φ 3 = EAcosθ = EA Pois agora temos cosseno de 0. Logo, o fluxo sobre a superfície é: φ = φ 1 + φ 2 + φ 3 = EA EA = 0

17 Isso está de acordo com o que estudamos até aqui. Não há cargas no interior da superfície cilíndrica, logo o fluxo tem de ser zero. Para tentar compreender melhor, imagine que a quantidade de linhas de campo que entram na superfície é igual a quantidade de linhas decampo que saem da superfície.

18 Na figura a seguir, qual das superfícies possui o maior fluxo elétrico?

19 Agora vamos analisar o caso onde temos duas placas paralelas, uma com densidade de cargas positiva e a outra com densidade negativa. As placas estão separadas por uma distância d.

20 Podemos determinar a intensidade do campo elétrico entre as placas e na região externa às placas. Nós já vimos como fazemos para calcular o campo de uma única placa. Agora, podemos simplesmente usar a superposição dos campos para determinar o valor desejado. Sabemos que o campo elétrico da placa carregada positivamente aponta para fora da mesma, enquanto que para a placa carregada negativamente, o campo aponta em direção à esta. Logo, teremos:

21 As setas à esquerda representam o campo da placa carregada negativamente. Note que todas estão indo em direção à essa placa. As setas à direita representam o campo da placa carregada positivamente e por essa razão todas apontam para fora da placa. Pela superposição temos que = 0, = 2E, = 0. Logo, o campo entre as placas é dado por: E = σ ε 0 A configuração do campo elétrico entre as placas se torna:

22 Podemos nos questionar: qual o campo elétrico gerado por uma esfera não condutora e uniformemente carregada? Se a esfera é não condutora, isso quer dizer que as cargas não possuem um movimento livre sobre sua superfície. Em outras palavras, as cargas não vão todas para a superfície da esfera (como era o caso de uma esfera condutora). Vamos supor que temos uma esfera não condutora de raio a. Se tomarmos um ponto fora da esfera a uma distância r da mesma, então podemos desenhar nossa gaussiana de modo a determinar o campo elétrico nesse ponto. Pela lei de Gauss: O que nos fornece: φ = E d A = q in ε 0 E r = Materiais não condutores q 4πε 0 r² r

23 Agora, temos um ponto no interior na esfera. A densidade de cargas com respeito à nossa superfície gaussiana é dada por: ρ = q V Onde V é o volume que a superfície gaussiana abrange. Logo, a densidade será: ρ = q 4 3 πr3 Escrevendo a carga em termos da densidade: Por Gauss: q = 4 3 πr3 ρ E d A = 4πr3 ρ 3ε 0 Sendo da = 4πr 2 a área da superfície gaussiana (e esquecendo os vetores por enquanto): E = 4πr3 ρ 4πr 2 3ε 0

24 Escrevendo a densidade de cargas na esfera como a carga por volume: E = 4πr3 ρ rq 4πr 2 = 3ε 0 4 3ε 0 3 πa3 E = qr 4πε 0 a 3 Note que nesse ultimo passo, consideramos o volume de toda a esfera. Logo, o campo elétrico para uma esfera não condutora é: E r = qr 4πε 0 a 3 r

25 Como temos uma esfera não condutora, a quantidade de cargas elétricas aumenta a medida que nos aproximamos da borda da esfera. Na superfície, a quantidade de cargas terá seu valor máximo. Portanto, o campo elétrico não é mais nulo no interior do material (como é para os materiais condutores). O campo elétrico vai aumentando linearmente com o raio da esfera.

26 A partir de Gauss, e usando uma simetria cilíndrica, como seria o campo elétrico gerado por um fio uniformemente carregado?