2. Fluxo elétrico

Carl F. Gauss
Carl Friedrich Gauss (1777–1855)

Gauss é considerado um dos maiores matemáticos da história. Nasceu em 1777 em Brunswick, Alemanha, e desde cedo mostrou grande habilidade para a matemática. São muitas as suas contribuições nos campos da teoria dos números, dos números complexos, da geometria e da álgebra. A sua tese de doutoramento foi a primeira demonstração do teorema fundamental da álgebra. No domínio da astronomia, Gauss interessou-se pelo estudo das órbitas planetárias e pela determinação da forma da Terra, e foi diretor do observatório astronómico da Universidade de Göttingen. Desenvolveu um método para calcular, com grande precisão, os parâmetros de uma órbita planetária a partir de apenas três observações da posição do planeta. A partir de 1831, e em conjunto com o físico Wilhelm Weber, desenvolveu o estudo teórico e experimental do eletromagnetismo. A contribuição de Gauss para a determinação do campo magnético terrestre é reconhecida na unidade de campo magnético que leva o seu nome.

2.1. Fluxo elétrico

O campo elétrico pode ser compreendido melhor usando o conceito de fluxo. Define-se o fluxo elétrico por analogia com um fluído incompressível. No escoamento do fluído, as linhas de campo são tangentes à velocidade do fluído em cada ponto e o fluxo do campo de velocidades é igual ao volume de fluido que passa através da superfície, por unidade de tempo.

Através de uma superfície de área , perpendicular à velocidade do fluido e se o módulo da velocidade, , for constante em todos os pontos dessa superfície, o volume de fluido que passa através da superfície, por unidade de tempo, é igual a . A figura 2.1 mostra dois exemplos de linhas de campo e em cada caso uma superfícies perpendicular às linhas de campo.

Superfícies perpendiculares às linhas de campo
Figura 2.1: Superfícies perpendiculares às linhas de campo.

Por analogia com o fluxo do fluido, no caso de uma superfície de ára , perpendicular à linhas de campo eléctrico, como na figura 2.1, se o módulo do campo é constante nessa superfície, define-se o fluxo elétrico através da superfície igual ao produto do módulo do campo vezes a área da superfície:

(2.1)
Tubo de fluxo

Figura 2.2: Tubo de fluxo.

O volume delimitado pelas linhas de campo que passam por uma curva fechada, por exemplo, a fronteira da superfície S na figura 2.2, chama-se tubo de fluxo. Usando a analogia com o fluido incompressível, se não existem dentro do tubo pontos onde entra ou sai fluído, então o fluxo é o mesmo em todas as secções transversais do tubo, independentemente da curvatura ou inclinação dessas secções. Por exemplo, no tubo de fluxo da figura 2.2, o volume de fluido que passa pelas três superfícies S1, S2 e S3, por unidade de tempo, deve ser o mesmo e, como tal, o fluxo através dessas superfícies, ou de qualquer outra secção do tubo, é igual.

Essa propriedade dos tubos de fluxos pode usar-se para calcular o fluxo através de uma superfície que não seja perpendicular às linhas de campo. Se as linhas de campo não são perpendiculares à superfície mas estão inclinadas um ângulo em relação ao versor normal à superfície, como mostra a figura 2.3, o fluxo através da superfície com área é igual ao fluxo através da projeção dessa área no plano perpendicular às linhas de campo, ou seja através da superfície a tracejado na figura 2.3. Isto é devido a que a superfície inclinada e a superfície a tracejado fazem parte do mesmo tubo de fluxo, formado pelas linhas de campo que passam pela fronteira das duas.

Fluxo numa superfície não perpendicular ao campo
Figura 2.3: Superfície inclinada em relação às linhas de campo.

A área da superfície a tracejado é ,onde é ângulo entre o campo e a perpendicular ao plano (figura 2.3). Como essa superfície a tracejado sim é perpendicular às linhas de campo, o fluxo através dela é igual ao módulo do campo vezes a área, ou seja,

(2.2)
campo na superfície

Figura 2.4: Campo e versor normal.

A figura 2.4 mostra três possíveis campos na superfície. O campo faz um ângulo agudo com o versor normal e, por isso, produz fluxo positivo, ou seja, fluxo que passa no mesmo sentido do versor normal. O campo é perpendicular à superfície e, como tal, o seu produto escalar com o versor normal é nulo e esse campo não produz nenhum fluxo. Finalmente, o campo faz um ângulo obtuso com o versor normal, produzindo assim fluxo negativo, ou seja, fluxo no sentido oposto do versor normal.

O produto escalar é a componente do campo na direção normal à superfície. Ou seja, o fluxo elétrico é a componente normal do campo vezes a área da superfície.

No caso de campos não uniformes e superfícies curvas, divide-se a superfície em vários segmentos, como na figura 2.5. Se o número de segmentos for elevado e cada um deles for suficientemente pequeno, podem ser aproximados por pequenos planos.

Superfície dividida em segmentos
Figura 2.5: Superfície dividida em segmentos menores.

em cada pequeno plano número existe campo , aproximadamente constante, e assim sendo, o fluxo nesse pequeno plano é dado pela equação 2.2. O fluxo total na duperfície é igual à soma de todos os fluxos nos pequenos planos.

(2.3)

A aproximação torna-se exata no limite em que é infinito e esse limite da soma na equação 2.3 chama-se o integral de superfície do campo elétrico, na superfície S, e escreve-se da forma seguinte:

(2.4)

O integral é duplo, porque depende das diferenciais dos dois parâmetros que sejam usados para definir a superfície. Para determinar o valor do integral na equação 2.4, é conveniente usar uma representação paramétrica da superfície S com dois parâmetros reais e :

(2.5)

Por exemplo, se a superfície fosse o plano , uma possível equação paramétrica é: , em função dos parâmetros e .

Os dois parâmetros reais estarão dentro de uma região do plano real. No exemplo da figura 2.6, em que os dois parâmetros são as próprias variáveis e , os possíveis valores dos parâmetros são as coordenadas de todos os pontos no retângulo S no plano .

Superfície com domínio no plano xy
Figura 2.6: Superfície com domínio num retângulo S do plano .

Os aumentos infinitesimais dos dois parâmetros, e no exemplo da figura 2.6 são projetados sobre a superfície S, formando uma pequena região na superfície S, com área . No limite infinitesimal, aproxima-se da área do paralelepípedo com arestas iguais aos vetores

(2.6)

onde a derivada parcial é um vetor que determina o aumento da função , devido a um aumento unitário da variável . De igual forma, é o aumento de devido ao aumento unitário de . O produto vetorial dos dois vetores 2.6 é um vetor na direção normal à superfície, , com módulo igual à área do paralelepípedo. Como tal, , é igual ao produto vetorial entre esses dois vetores é

(2.7)

A ordem dos dois vetores no produto vetorial 2.7 determina o lado da superfície para onde aponta . Na ordem em que foram multiplicados os vetores na equação 2.7, o vetor aponta para o lado de cima da superfície. Os parâmetros e usados em 2.7 podem ser qualquer outros dois parâmetros reais.

Exemplo 2.1

Determine o fluxo elétrico através da superfície , representada na figura, se o campo eléctrico for:
(a)
(b)
onde  = 3 N/C,  = 20 N/C e  = 5 m−1 são três constantes.

Faces de um prisma triangular

Resolução. (a) Como o campo é constante e na direção do eixo dos , o fluxo através de ACDE é igual ao fluxo através de ABFE na direção positiva do eixo , e calcula-se a partir da equação 2.1

(b) Como o campo depende de , convém escolher como um dos parâmetros que definem a superfície. O segundo parâmetro terá de ser , porque no plano vários pontos diferentes do plano ACDE são projetados num único ponto.

A equação do segmento DE, em unidades SI, é:

E a equação paramétrica do plano ACDE é:

e as duas derivadas parciais do vetor posição são

Substituindo na equação 2.7 obtém-se

O fluxo através de ACDE é

O integral em é igual ao integrando (constante) vezes 0.3 e, como o produto escalar de consigo próprio é 1 e com é zero, o resultado da integração em é

em unidades SI, ou seja, V·m.

Observe-se que neste caso as linhas de campo elétrico são perpendiculares ao plano , mas os fluxo no retângulo ACDE não é igual ao fluxo no quadrado BCDF. No quadrado BCDF ( = 0) o campo elétrico é nulo e, assim sendo, o fluxo é nulo. As linhas de campo que passam pelo quadrado BCDF e pelo retângulo ACDE não constituem um tubo de fluxo, porque entre esses dois planos devem existir cargas pontuais (fontes do campo).

Exemplo 2.2

Determine o fluxo elétrico através da superfície esférica de raio (unidades SI) e centro na origem, quando a expressão do campo elétrico for (unidades SI):
(a)
(b)

Resolução. Em coordenadas esféricas (ver o apêndice B) o vetor posição dum ponto qualquer na superfície da esfera de raio e centro na origem é:

onde é o versor radial:

(2.8)

e os ângulos variam nos intervalos 0 ≤ < 2  e 0 ≤ < .

Para determinar a expressão do elemento diferencial de área calcula-se

Ou seja, o vetor diferencial de área na esfera de raio R é

(2.9)

(a) O fluxo através da esfera é

o resultado nulo indica que o fluxo que entra pela metade da esfera em < 0 é igual ao fluxo que sai pela outra metade em > 0.

(b) Na superfície esférica, a componente do vetor de posição é igual a

como tal, o campo elétrico nessa superfície é igual a e o fluxo elétrico é

O resultado positivo indica que há fluxo a sair da esfera. Em ambas metades da esfera, em > 0 e < 0, o campo elétrico aponta para fora.

2.2. Lei de Gauss

O campo elétrico produzido por uma distribuição de cargas é a sobreposição dos campos produzidos por muitas cargas pontuais. Convém então analisar o fluxo elétrico produzido pelo campo de uma única carga pontual . Em relação a uma superfície S fechada, a carga pode estar ou fora ou dentro dessa superfície.

Se a carga pontual está dentro da superfície, como no lado esquerdo da figura 2.7, o fluxo é exatamente igual ao fluxo através de uma esfera com centro na carga, como no lado direito da figura 2.7, porque as duas superfícies fazem parte de um tubo de fluxo; todas as linhas de campo que passam pela superfície fechada passam também através da esfera.

Fluxo de carga pontual numa superfície fechada
Figura 2.7: Fluxo produzido por uma carga pontual através de uma superfície fechada.

Na superfície esférica, o campo é sempre perpendicular e o seu módulo é sempre igual a , onde é o raio da esfera. Como tal, o fluxo na esfera pode obter-se usando a equação 2.1. A área da esfera é e multiplicando pelo módulo do campo, obtém-se o fluxo:

(2.10)

Ou seja que, o fluxo total produzido pela carga pontual , através de qualquer superfície fechada em que a carga esteja no interior, é sempre , independentemente do tamanho da superfície. No caso de superfícies fechadas, é habitual calcular-se sempre o fluxo para fora da superfície. Assim sendo, o sinal da carga dá o sinal correto do fluxo na expressão ; se a carga for positiva há fluxo para fora da superfície, mas se a carga for negativa o fluxo será para dentro dela.

carga fora de uma superfície fechada

Figura 2.8: Carga fora da superfície fechada.

Se a carga está fora de S, as linhas de campo tangentes à superfície definem um tubo de fluxo. A superfície S é dividida em duas partes S1 e S2, nos dois lados da curva por onde passam as linhas de campo tangentes a S (ver figura 2.8). Os fluxos elétricos através das duas superfícies S1 e S2 são iguais em valor absoluto, porque fazem parte do mesmo tubo de fluxo, mas têm sinais opostos, já que um dos versores ou aponta no sentido das linhas de campo e o outro no sentido oposto. Ou seja, se > 0, entra fluxo por S2 e sai o mesmo fluxo por S1; se < 0, entra fluxo por S1 e sai o mesmo fluxo por S. Conclui-se que o fluxo elétrico devido a uma carga pontual é nulo em qualquer superfície fechada, se a carga estiver fora da superfície e igual a se a carga estiver dentro da superfície.

Uma distribuição de carga pode ser dividida em várias cargas pontuais , , …, , e o fluxo total através de uma superfície fechada S será igual à soma dos fluxos produzidos por cada uma das cargas pontuais. As cargas que se encontram no exterior de S não produzem fluxo total e cada carga que esteja dentro de S produz fluxo . Assim sendo, o fluxo total através da superfície fechada S é:

(2.11)

onde é a carga total no interior da superfície S. Esta equação chama-se lei de Gauss:

O fluxo elétrico através de qualquer superfície fechada é igual ao valor da carga total no interior da superfície, multiplicado por .

Se a carga total no interior for positiva, o fluxo é positivo, indicando que há linhas de campo a sairem da superfície. Se a carga total for negativa, o fluxo é negativo porque há linhas de campo a entrar na superfície. O fluxo elétrico total à volta de uma carga pontual é diretamente proporcional ao valor da carga.

O lado direito na lei de Gauss pode ser escrito também , onde é chamada permitividade do vazio, definida por

(2.12)

A equação 2.10 pode ser usada também para calcular o fluxo produzido por uma carga pontual, através de uma superfície qualquer que não tem de ser fechada, substituindo o ângulo pelo integral que define o ângulo sólido do tubo de fluxo que passa por S, com origem na carga pontual

(2.13)

onde é o resultado do integral duplo e é o valor do ângulo sólido, com vértice na carga pontual e delimitado pela superfície S. No caso das superfícies fechadas em torno do vértice, o ângulo sólido tem o seu valor máximo possível, .

A lei de Gauss é útil para descobrir a carga total dentro de uma região do espaço onde existe campo elétrico. No exemplo 2.2, os valores dos fluxos calculados na superfície esférica de raio permitem determinar a carga total no interior da esfera. Na alínea (a) conclui-se que a carga no interior da esfera é nula, e na alínea (b) a carga no interior da esfera é:

(2.14)

Outra grande utilidade da lei de Gauss é no cálculo do campo elétrico devido a distribuições simétricas de carga. O uso sa lei de Gauss para calcular o campo elétrico consiste em descobrir uma superfície fechada imaginária — superfície gaussiana — que passa pelo ponto onde se quer calcular o campo, de forma a que a componente normal à superfície seja sempre constante ou nula. Se existir superfície gaussiana, o fluxo nessa superfície é dado pela equação 2.1 e substituído na lei de Gauss (equação 2.11), dando o resultado:

(2.15)

onde é a área total da parte da superfície onde o campo não é nulo e tem módulo constante .

Não obstante, existem superfícies gaussianas apenas quando as linhas de campo elétrico têm simetria plana, esférica ou cilíndrica. A lei de Gauss, juntamente com o princípio de sobreposição, permite também calcular o campo em sistemas que não tenham simetria, mas que possam ser obtidos por sobreposição de sistemas com simetria (ver problema 8).

Em alguns casos, pode obter-se uma expressão aproximada para o campo, substituindo a distribuição de carga por uma distribuição idealizada com alguma simetria. Por exemplo, um fio com carga distribuída uniformemente (figura 2.9) pode ser idealizado por um fio infinito e um plano com carga distribuída uniformemente pode ser idealizado por um plano infinito. A expressão obtida para o fio infinito ou o plano infinito será uma boa aproximação nas regiões próximas do centro do fio ou do plano e se a distância até o fio ou plano for muito menor que o comprimento do fio ou as arestas do plano.

Linhas de campo de um fio retilíneo
Figura 2.9: Linhas de campo de um fio retilíneo com carga distribuída uniformemente.

Os exemplos seguintes mostram sistemas em que as linhas de campo elétrico têm simetria esférica, plana ou cilíndrica, que permitem obter o campo elétrico a partir da equação 2.15.

Exemplo 2.3

Uma esfera maciça de raio tem carga total e carga volúmica constante. Determine o campo elétrico no interior e no exterior da esfera.

Esfera gaussiana

Resolução. A carga volúmica constante implica distribuição uniforme de carga em todas os pontos da esfera e simetria esférica: em cada ponto, dentro ou fora do espaço, a linha de campo elétrico que passa por esse ponto debe ter direção radial, como mostra a figura ao lado. Assim sendo, qualquer esfera concêntrica com a esfera maciça é uma superfície gaussiana, porque em todos os seus pontos o campo é perpendicular e com o mesmo módulo devido à simetria.

O raio da esfera gaussiana pode ser menor ou maior do que o raio da esfera maciça, , como nas duas esferas a tracejado na figura. Em diferentes esferas gaussianas o módulo do campo pode ter diferentes valores, ou seja, depende unicamente de .

A área da superfície gaussiana é a área da esfera de raio , igual a . Substituindo na equação 2.15, obtém-se

(2.16)

No exterior da esfera ( > ), a carga no interior da superfície gaussiana de raio é igual à carga total da esfera: = ; como tal, o campo elétrico em > é

(2.17)
Campo elétrico de uma com carga volúmica uniforme

No interior da esfera ( < ), a carga no interior da esfera gaussiana aumenta proporcionalmente ao volume, ou seja, é diretamente proporcional a e a constante de proporcionalidade deve conduzir a = quando = . Assim sendo, a expressão da carga interna para < é

e a expressão do campo é

(2.18)

A figura ao lado mostra o gráfico do módulo do campo em função de .


Exemplo 2.4

Determine a expressão do campo elétrico devido a um plano infinito com carga superficial constante .

cilindro gaussiano

Resolução. O campo elétrico deve ser perpendicular ao plano, em sentidos opostos nos dois lados do plano, porque qualquer translação ou rotação do plano não pode alterar a geometria das linhas de campo (simetria plana). Qualquer superfície cilíndrica com tampas paralelas ao plano, a mesma distância em cada lado do plano, é uma superfície gaussiana (figura ao lado)

A carga no interior da superfície gaussiana é , onde é a área de cada uma das tampas do cilindro, iguais à área da parte do plano atravessada pelo cilindro.

Não existe fluxo nas paredes laterais do cilindro, porque são tangentes às linhas de campo. Como tal, a área da parte da superfície gaussiana onde há fluxo é a soma das áreas das duas tampas, . Substituindo na equação 2.15, a expressão do campo é

(2.19)

Ou seja, o módulo do campo é constante e diretamente proporcional à carga superficial.

Exemplo 2.5

Determine a expressão do campo elétrico de um fio retilíneo infinito com carga linear uniforme .

Resolução. O campo elétrico não se deve alterar se o fio roda ou se desloca ao longo do seu eixo. Assim sendo, as linhas de campo devem ser retas perpendiculares ao fio (ver figura) e o módulo do campo é igual nos pontos à mesma distância do fio (simetria cilíndrica).

Cilindro gaussiano

Qualquer cilindro circular S com eixo no fio, como o que aparece na figura acima, é uma superfície gaussiana. A carga no interior de S é , onde é a altura do cilindro.

Há fluxo elétrico unicamente na superfície curva do cilindro, que tem área , onde é o raio do cilindro. Substituindo na equação 2.15, obtém-se a expressão do módulo do campo

(2.20)

onde é o versor na direção perpendicular ao fio, afastando-se dele.

2.3. Condutores em equilíbrio eletrostático

Um condutor é um material que tem algumas cargas livres que podem deslocar-se livremente, chamadas cargas de condução. Quando as cargas de condução não se encontram em movimento, diz-se que o condutor está em equilíbrio eletrostático. Para que o condutor esteja em equilíbrio é necessário que o campo elétrico, em qualquer ponto do condutor, seja nulo. Se assim não fosse, as cargas de condução seriam aceleradas pelo campo e o condutor não estaria em equilíbrio.

Considere-se um condutor em equilíbrio eletrostático. Quando se introduz um campo elétrico externo, as cargas de condução são aceleradas na direção do campo, ficando excesso de eletrões num extremo do condutor e excesso de protões no extremo oposto (figura 2.10). Os eletrões e os protões em excesso produzem campo elétrico que, dentro do condutor, é oposto ao campo externo, fazendo com que o campo total no interior diminua. Enquanto existir campo elétrico dentro do condutor, o movimento de cargas continuará e o campo total diminuirá até se tornar nulo. Nesse instante o condutor atinge o equilíbrio eletrostático e o campo em qualquer ponto interno é nulo. Num condutor típico o tempo necessário para atingir o equilíbrio é muito pequeno, da ordem dos 10−19 segundos, como se verá num problema do capítulo 6.

Condutor em equilíbrio eletrostático
Figura 2.10: Efeito de um campo externo num condutor isolado.

2.3.1. Eletrização por indução

O fenómeno de indução de cargas nos extremos de um condutor, dentro de um campo elétrico, pode ser usado para carregar metais (figura 2.11). Por exemplo, se deslocarmos um objeto com carga positiva perto de uma peça metálica isolada, a parte do metal que estiver mais perto do objeto carregado acumulará uma carga negativa, enquanto no lado oposto (mais distante) ficará uma carga positiva da mesma ordem de grandeza. Se nesse momento o extremo mais distante do condutor isolado for ligado a outro condutor sem carga, as cargas positivas passam para o segundo condutor. Desligando os dois condutores, antes de retirar o objeto usado para induzir as cargas, os dois condutores ficam com cargas iguais e de sinais opostos.

Eletrização por indução
Figura 2.11: Procedimento para carregar dois condutores com cargas iguais mas de sinais opostos.

2.3.2. Carga e campo num condutor em equilíbrio

Como já foi dito, o campo elétrico dentro de um condutor em equilíbrio tem que ser necessariamente nulo. O fluxo elétrico em qualquer superfície fechada no interior do condutor será nulo, pois o campo é nulo em qualquer ponto do condutor. No entanto, a lei de Gauss garante que não existe carga dentro de uma superfície fechada onde o fluxo elétrico seja nulo. Isso implica que não pode existir carga em qualquer ponto interno do condutor. Não considerámos os pontos na superfície do condutor, já que qualquer superfície fechada, que tenha no seu interior pontos da superfície do condutor, sai fora do condutor. Assim, os únicos pontos onde pode existir carga num condutor em equilíbrio eletrostático é na sua superfície; qualquer excesso de carga num condutor isolado deverá estar distribuída sobre a sua superfície (lado esquerdo da figura 2.12).

Carga num condutor isolado
Figura 2.12: Condutor isolado com carga. À esquerda, fluxo em superfícies interna e externa e à direita, linhas de campo.

O campo elétrico dentro do condutor em equilíbrio é zero. Na superfície do condutor, se o campo tivesse uma componente ao longo da superfície, esta aceleraria os eletrões de condução ao longo da superfície, e o condutor não estaria em equilíbrio. A componente do campo elétrico normal à superfície terá uma tendência a "puxar para fora" os eletrões da superfície, ou a atrair eletrões do exterior, mas, como o condutor está isolado, isso será impossível e o condutor permanecerá em equilíbrio. Concluimos assim, que o campo elétrico na superfície de um condutor em equilíbrio eletrostático é sempre perpendicular à superfície (lado direito da figura 2.12).

Para calcular o campo elétrico na superfície de um condutor em equilíbrio, considere-se um pequeno cilindro de bases paralelas à superfície, como se mostra na figura 2.13. Se o cilindro for suficientemente pequeno, será aproximadamente uma superfície gaussiana.

Só existe fluxo elétrico na base do cilindro no exterior do condutor, e o fluxo total através da superfície gaussiana é

(2.21)

onde é a área da parte da superfície no interior do cilindro, e é a carga que ela contém. No limite a equação anterior é exata e

(2.22)

O limite na equação anterior é igual à carga superficial. Assim, o campo num ponto da superfície do condutor é

(2.23)

onde é a carga superficial e o versor normal para fora do condutor.

Superfície gaussiana na superfície de um condutor
Figura 2.13: Pequena superfície gaussiana na superfície de um condutor isolado.

O campo na superfície do condutor é o dobro do campo de uma superfície plana infinita (ver equação 2.19). Podia pensar-se que, na proximidade da superfície do condutor, uma boa aproximação seria admitir que a superfície é muito extensa, mas como se viu não é assim.

No caso de uma superfície plana infinita, o campo num ponto da superfície é devido só à carga nesse ponto, pois, por simetria, o campo total produzido pelos outros pontos no plano é zero. No condutor fechado, o campo num ponto da superfície é o resultado da sobreposição dos campos produzidos pelo próprio ponto mais o campo produzido pelos restantes pontos da superfície. O campo do próprio ponto deverá ser o mesmo que no caso do plano infinito e, portanto, será igual a nos dois lados da superfície e em sentidos opostos. O campo que falta para completar o campo total é o campo devido ao resto da superfície. Como o campo total é nulo no interior e igual a no exterior, o campo produzido pela superfície, sem incluir o ponto P, é igual a nos dois lados da superfície e com o mesmo sentido.

O campo produzido pela superfície, sem incluir o ponto P, actua sobre a carga local no ponto P, produzindo uma força para fora da superfície:

(2.24)

Esta força aponta sempre para fora do condutor, independentemente do sinal da carga superficial .

Perguntas

(Para conferir a sua resposta, clique nela.)

  1. Um plano com 2500 cm2 de área tem uma carga total de 20 nC, distribuida uniformemente. O módulo do campo elétrico perto do plano é, aproximadamente:

    • A. 18.1 mN/C
    • B. 4.52 kN/C
    • C. 1.81 N/C
    • D. 45.2 N/C
    • E. 0.452 N/C
  2. Uma esfera condutora de 3 cm de raio, isolada e com carga positiva, produz um campo de módulo 36 µN/nC, num ponto que se encontra a 1 cm da superfície da esfera. Calcule a carga total da esfera.

    • A. 3.6 nC
    • B. 0.4 nC
    • C. 1.6 nC
    • D. 6.4 nC
    • E. 1.2 nC
  3. Num sistema de coordenadas cartesianas (, , ) (em metros), existe uma carga pontual de 2 nC em (1,0,0), uma carga pontual de -4 nC em (0,2,0) e uma carga pontual de 3 nC em (0,0,4). Calcule o fluxo elétrico (em unidades SI) através de uma esfera de raio 3 m, com centro na origem.

    • A. 36 
    • B. 72 
    • C. −72 
    • D. 108 
    • E. −144 
  4. A carga existente numa esfera de raio 1 m está distribuída nesta de uma forma desconhecida. O fluxo do campo elétrico criado pela distribuição através de uma superfície esférica de raio 4 m, concêntrica com a esfera carregada, é de 11.3×104 N·m2/C. Qual é o fluxo do campo elétrico através de uma superfície esférica de raio 2 m?

    • A. 45.2×104 N·m2/C
    • B. 22.6×104 N·m2/C
    • C. 11.3×104 N·m2/C
    • D. 56.5×103 N·m2/C
    • E. 28.2×103 N·m2/C
  5. Se numa superfície fechada o campo elétrico aponta para dentro da superfície em todos os pontos, o que é que podemos concluir?

    • A. Existe carga positiva dentro da superfície.
    • B. Existe carga negativa dentro da superfície.
    • C. Não existe nenhuma carga dentro da superfície.
    • D. O campo é necessariamente perpendicular à superfície.
    • E. O campo é necessariamente paralelo à superfície.

Problemas

  1. Calcule o fluxo do campo elétrico através da superfície

    (As distâncias são dadas em cm, e o campo em N/C.)

  2. Calcule o fluxo produzido pelo campo elétrico , através do triângulo com vértices nos pontos (0, 0, 0), (2 cm, 0, 0) e (0, 3 cm, 0). Os valores das constantes são = 20 N/C e = 5 m−1.

  3. Calcule o fluxo associado a um campo vetorial , através do triângulo com vértices (2, 0, 0), (0, 4, 0) e (0, 0, 3).

  4. Uma partícula pontual com massa igual a 25 g e carga de 50 nC encontra-se pendurada de um fio de 7 cm que está colado a um plano vertical. O plano vertical tem uma carga superficial constante = 17 nC/cm2 e pode ser considerado infinito. Calcule o ângulo que o fio faz com o plano vertical.

    Carga pendurada próxima de um plano com carga
  5. O campo elétrico numa dada região do espaço é ( em cm e em N/C.)

    Determine a carga total dentro de uma esfera de 6 cm de raio e centro na origem.

  6. (a) Se uma bola de sabão for eletrizada o seu diâmetro aumentará, diminuirá ou permanecerá igual?

    (b)Se uma bola de sabão, sem carga, for colocada dentro de um campo elétrico como se altera o seu diâmetro?

  7. Considere o protão como uma pequena esfera sólida de raio 10−15 m, com carga distribuída uniformemente no seu interior. Calcule o campo elétrico na sua superfície e num ponto a 0.5×10−15 m do centro.

  8. A figura representa o corte transversal de um cilindro sólido, muito comprido, de raio = 6 cm e carga volúmica constante = 25 nC/m, com uma cavidade cilíndrica de raio = 2 cm. Calcule o campo elétrico no ponto P.

    Cilindro com uma cavidade

    Sugestão: para calcular o campo, usando a lei de Gauss, é possível considerar o sistema como a sobreposição de um cilindro maciço, de raio e centro na origem, com carga volúmica (parte a da figura) e um cilindro, de raio e centro no ponto (0, 2), com carga volúmica (parte b da figura).

    Princípio de sobreposição
  9. Calcule o campo elétrico produzido pela distribuição de carga (em unidades SI):

  10. O átomo de hidrogénio é um sistema quântico, em que o eletrão à volta do núcleo não aparece como uma carga pontual, mas sim como uma distribuição contínua de carga (nuvem eletrónica) com carga volúmica dada pela expressão:

    onde é a distância desde o núcleo, a carga elementar e uma constante chamada raio de Bohr, aproximadamente igual a 5.3×10−11 m.

    Átomo de hidrogénio
    1. Mostre que a carga total da nuvem eletrónica é igual à carga do eletrão, .

    2. Calcule o campo elétrico produzido pela nuvem eletrónica.

    3. Calcule o campo total do átomo de hidrogénio. (Sugestão: o campo do núcleo é igual ao campo de uma partícula pontual de carga , na origem.)

  11. Calcule, em unidades SI, a carga total dentro do paralelepípedo representado na figura, sabendo que o campo elétrico no paralelepípedo é (paralelo ao eixo dos ).

    Paralelepípedo
  12. Considere uma esfera condutora de raio , com carga total igual a zero. A esfera tem uma cavidade esférica de raio centrada no seu interior e no centro dessa cavidade, ou seja no centro da esfera, há uma carga pontual .

    1. Use a lei de Gauss e as propriedades dos condutores em equilíbrio para calcular o campo elétrico em cada uma das regiões < , < < e < .

    2. Trace as linhas de campo elétrico nesta situação.

    3. Descreva a distribuição de carga na superfície externa da esfera. Como seria alterada essa distribuição de carga se a carga pontual na cavidade fosse deslocada do centro? Tracee as linhas de campo elétrico nesse caso.

  13. Uma esfera de raio tem carga total , distribuída de tal forma que a carga volúmica é , onde é uma constante e a distância ao centro da esfera.

    1. Calcule o valor da constante em função da carga .

    2. Calcule o campo elétrico no interior e no exterior da esfera, e faça o gráfico do módulo do campo em função de .

  14. A carga volúmica no interior de um cilindro muito comprido de raio é

    onde é a distância ao eixo do cilindro e é uma constante. Calcule o campo elétrico em qualquer ponto do espaço, em função dos parâmetros , e .

Respostas

Perguntas: 1. B. 2. D. 3. C. 4. C. 5. B.

Problemas

  1. 8 N·cm2/C, no sentido negativo do eixo .

  2. 7.99 N·cm2/C.

  3. , no sentido desde o triângulo até à origem.

  4. 62.99°.

  5. 154 nC.

  6. (a) Aumenta, devido à repulsão eletrostática entre as cargas na superfície.

    (b) O campo induz cargas positivas e negativas na bola; as forças sobre essas cargas deformam a bola, tornando-a num elipsóide com o eixo maior na direção do campo.

  7. 1.44×1021 N/C e 7.21×1020 N/C.

  8.  N/C.

  9.   ( em m, em N/C).

  10. (b) .

    (c) .

  11. 1.146 pC.

  12. (a)

    (c) , uniforme; a carga superficial aumenta na região mais próxima da carga pontual e diminui na região oposta.

  13. (a) .

    (b)

  14.   (na direção radial).