Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 3ª Série. Campo Elétrico

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1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 3ª Série Campo Elétrico

2 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. FÍSICA, 3ª Série Campo Elétrico Campo Elétrico

3 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. CAMPO ELÉTRICO É uma propriedade física estabelecida em todos os pontos do espaço que estão sob a influência de uma carga elétrica (carga fonte), tal que uma outra carga (carga de prova), ao ser colocada num desses pontos, fica sujeita a uma força de atração ou de repulsão, exercida pela carga fonte.

4 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. VETOR CAMPO ELÉTRICO Quando uma carga de prova q é colocada em um ponto do espaço e sofre a ação de uma força F, dizemos, que, por definição, a razão entre F e q é igual ao módulo do campo elétrico E naquele ponto. E F q E = F q Unidade de E do SI: N/C

5 CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA PUNTIFORME FIXA CONCLUSÕES Carga fonte positiva (Q > O) gera campo elétrico de afastamento. Carga fonte negativa (Q < O) gera campo elétrico de aproximação. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Uma partícula eletrizada (Q) gera campo elétrico na região do espaço que a circunda, porém, no ponto onde foi colocada, o vetor campo, devido à própria partícula, é nulo. Sendo q > 0, F e E têm o mesmo sentido; sendo q < 0, F e E têm sentidos contrários. F e E têm sempre a mesma direção.

6 CAMPO ELÉTRICO DE UMA CARGA PUNTIFORME FIXA O módulo do campo elétrico em um ponto P, no qual uma carga q fica sob ação de uma força de módulo F, é obtido a partir da relação: E F q K Q. q 2 d q K Q d 2 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Q _ Carga fonte q _ Carga de prova colocada em um ponto P no campo gerado por Q. d _ distância do ponto P à carga fonte Q E K Q d 2

7 Vejamos algumas observações importantes Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. O gráfico representa a intensidade do vetor E, criado por uma partícula eletrizada com carga Q em função da distância d. É importante salientar que a existência do campo elétrico em um ponto não depende da presença da carga de prova naquele ponto. Assim, existe um campo elétrico em cada um dos pontos, embora não haja carga de prova em nenhum deles. A outra unidade de intensidade de campo elétrico, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o volt por metro ( V/m ). A intensidade, direção e sentido dependem do ponto do campo, da carga do corpo que produz o campo e do meio que o envolve.

8 CAMPO ELÉTRICO DE VÁRIAS CARGAS PUNTIFORMES As cargas Q 1, Q 2 e Q 3 originam, separadamente, os vetores campo elétrico E 1, E 2 e E 3. O vetor campo elétrico resultante E é a soma vetorial dos vetores campos E 1, E 2 e E 3 que as cargas originam separadamente no ponto P. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

9 LINHAS DE FORÇA Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Padrões de campos elétricos podem ser visualizados pelo alinhamento de partículas de fubá que se encontram misturadas em uma camada de 4 mm (aproximadamente) de óleo de rícino. Os campos elétricos são criados por sondas metálicas eletrizadas (por uma Máquina Wimshurst ou fonte de alta tensão) imersas na mistura óleofubá.

10 Na figura têm-se duas sondas em formato de discos eletrizados com cargas opostas. As partículas de fubá são polarizadas pela ação do campo elétrico e se alinham na mesma direção da força do campo elétrico em cada ponto. A sucessão destas partículas polarizadas expressam o padrão das linhas de força do campo elétrico. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

11 LINHAS DE FORÇA Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. O conceito de linhas de força foi introduzido pelo físico inglês M. Faraday, no século XIX, com a finalidade de representar o campo elétrico através de diagramas.

12 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

13 Imagens: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Acima, temos exemplo de linhas de força para duas cargas puntiformes positivas e de valores idênticos. No exemplo, ambas são positivas. Caso fossem negativas, mudaria apenas o sentido da orientação das linhas de força, sendo conservados os demais aspectos. Acima, temos exemplo de linhas de força para duas cargas puntiformes: uma positiva e outra negativa de valores idênticos.

14 Imagens: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Características das Linhas de Força Linha de força de um campo elétrico é uma linha que tangencia, em cada ponto, o vetor campo elétrico resultante, associado ao ponto considerado. Quanto maior a distância até a carga, mais afastadas, entre si, estão as linhas, em conformidade com o que já foi visto, isto é, o valor do campo diminui com a distância. Por convenção, as linhas de força são orientadas no sentido do vetor campo. As linhas de força são sempre perpendiculares à superfície dos corpos carregados. A concentração de linhas de força é diretamente proporcional à intensidade do campo elétrico.

15 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Trajetória de Partículas Cargas positivas movimentam-se espontaneamente a favor do campo Cargas negativas movimentam-se espontaneamente contra o campo

16 CAMPO ELÉTRICO UNIFORME Um campo elétrico denomina-se uniforme em uma região do espaço se o vetor campo elétrico é o mesmo em todos os pontos da região (mesma direção, mesmo sentido e mesma intensidade). Nele, as linhas de força são retas paralelas igualmente orientadas e espaçadas. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Pode-se demonstrar que o campo entre duas placas planas, paralelas e de espessura desprezível é uniforme.

17 Trajetória de Partículas Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

18 O Osciloscópio Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

19 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

20 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. A FORMAÇÃO DOS RAIOS Experiências realizadas com naves e balões mostram que as nuvens de tempestades (responsáveis pelos raios) apresentam, geralmente, cargas elétricas positivas na parte superior e negativas, na inferior. As cargas positivas estão entre 6 e 7 km de altura, enquanto que as negativas, entre 3 e 4 km. Para que uma descarga elétrica (raio) tenha início, não há necessidade de que o campo elétrico atinja a rigidez dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kv/m são suficientes). 0 fenômeno inicia-se com uma primeira etapa: uma descarga piloto, de pouca luminosidade, na forma de árvore invertida, da nuvem para a Terra. Ela vai ionizando o ar. Uma vez que a descarga piloto atinja o solo, tem início uma segunda etapa: a descarga principal. Ela é de grande luminosidade, dirigida da Terra para a nuvem, tem velocidade da ordem de km/s.

21 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. 0 efeito luminoso do raio é denominado relâmpago e o efeito sonoro, que resulta do forte aquecimento do ar originando sua rápida expansão, é denominado trovão. Há raios não só entre uma nuvem e a Terra, mas entre nuvens e entre as partes de uma mesma nuvem.

22 O trovão é uma onda sonora, provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som no ar e que, nas proximidades do local da queda, é um som inaudível para o ouvido humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Esta constitui o trovão audível.

23 LENDAS E VERDADES Lenda: Se não está chovendo, não caem raios. Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva. Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa seja atingida por um raio. Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior, sem tocar em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro, é sempre mais seguro dentro do que fora dele. Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e não devem ser tocadas. Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico, especialmente, reanimação cardiorrespiratória. Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Verdade: Não importa qual seja o local, ele pode ser atingido, repetidas vezes, durante uma tempestade. Isso acontece até com pessoas.

24 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. O PARA-RAIOS 0 objetivo principal de um para-raios é proteger uma certa região ou edifício ou residência, ou semelhante, da ação danosa de um raio. Estabelecese, com ele, um percurso seguro da descarga principal entre a Terra e a nuvem. Um para-raios consta, essencialmente, de uma haste metálica disposta verticalmente na parte mais alta do edifício a proteger. A extremidade superior da haste termina em várias pontas e a inferior é ligada à terra através de um cabo metálico, que é introduzido profundamente no terreno. Quando uma nuvem eletrizada passa nas proximidades do para-raios, ela induz neste cargas de sinal contrário. 0 campo elétrico, nas vizinhanças das pontas, torna-se tão intenso que ioniza o ar e força a descarga elétrica através do para-raios, que proporciona, ao raio, um caminho seguro até a terra.

25 APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

26 APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO Outra aplicação tecnológica está no vasto uso de capacitores. Os capacitores são dispositivos capazes de armazenar cargas elétricas. O capacitor plano é feito por duas placas planas paralelas com dois terminais. O fato das duas placas serem paralelas faz com que se forme, entre elas, um CEU (Campo Elétrico Uniforme). Uma aplicação prática dos capacitores é o FLASH de uma máquina fotográfica. Os capacitores, nesse caso, acumulam energia em campo elétrico para fazer o FLASH disparar. Outras aplicações práticas do campo elétrico são as fotocopiadoras, os dispositivos de despoluição do ar e os para-raios. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

27 APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. A observação de que o corpo elétrico humano é capaz de gerar campos elétricos permite o desenvolvimento de uma tecnologia que poderá permitir nosso corpo de fazer parte integrante de uma rede de informática: a Human Area Network, que, através da tecnologia chamada de RedTacton, utiliza o campo elétrico formado no corpo humano como um meio de transmissão rápida e segura, utilizando-se de um dispositivo transmissor/receptor RedTacton. Assim, 2 corpos e 2 computadores poderiam trocar informações através do campo elétrico do corpo dos usuários.

28 APLICAÇÕES DO CAMPO ELÉTRICO Imagem: US Navy / Public Domain. Muitos equipamentos tecnológicos utilizam o campo elétrico na atividade médica. Uma das mais recentes aplicações é o aparelho de ressonância magnética, que usa campos eletromagnéticos na produção de imagens para o diagnóstico de várias doenças. Outros tipos de equipamentos, como os de análises sanguíneas, também fazem uso de campos elétricos e são amplamente utilizados.

29 Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso Todas as imagens exceto a do slide n. 28 SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE 19/03/ US Navy / Public Domain. y_ n-9593r- 228_Civilian_technician,_Jose_Araujo_watches_ as_a_patient_goes_through_a_magnetic_reson ance_imaging,_(mri)_machine.jpg 19/03/2012