Aula II * O Campo Elétrico

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AULA II – O CAMPO ELÉTRICO
Ao final desta aula você deverá ser capaz de:
 Definir o campo elétrico criado por uma partícula carregada;
 Calcular o campo elétrico devido a uma partícula na origem;
 Calcular o campo elétrico devido a um corpo extenso carregado;
 Calcular a força elétrica sobre uma partícula em uma região na qual temos um
campo elétrico;
 Calcular o fluxo do campo elétrico por uma superfície;
 Utilizar a Lei de Gauss em sua forma integral no cálculo do campo elétrico em
situações de alta simetria.

ELETROMAGNETISMO I – BACHARELADO EM FÍSICA/UFMS PROF. PAULO ROSA

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CAMPO ELÉTRICO
Pontos do espaço

Pontos do espaço

Partícula
carregada

Espaço
vazio

Espaço com uma partícula
carregada

Campo Elétrico é um conjunto de propriedades
presentes em cada ponto do espaço decorrentes
da presença de uma partícula com carga elétrica
estar localizada em um determinado ponto.
O Campo Elétrico não é um lugar, mas é em um
lugar.
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DETECTANDO O CAMPO ELÉTRICO

z

F(r)
Força sobre
a partícula
teste

q

Partícula
teste

 q é chamada partícula de teste: não pode
interferir na distribuição que cria o campo;

r

y
x

 A partícula de teste é, por definição, positiva.

Partícula fonte do
Campo Elétrico.

O campo tem a direção e o
sentido da força elétrica
experimentada pela
partícula.
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CAMPO ELETROSTÁTICO
Interpretação do conceito de campo: ao invés de falarmos da
força sobre uma partícula podemos falar sobre a força por
unidade de carga da partícula ⇒ campo.
Se dividirmos a força sobre a partícula pela quantidade de carga
Fentão o
1 campo
q ( rna
') região da partícula será dado
desta
E ( r ) partícula,
 li m

( r  r ')  q
: p a r t í c u la d e t e s t e 
q
4 
| r  r ' |
por (q+ é chamada de partícula de teste):
z
q  0



3



0

Partícula

E (r ) 

li m

q  0

F
q



1
4 

0



d

3

r '

 ( r ')
| r  r ' |

3

( r  r ')

E(r)

Distribuição
contínua de
matéria

r

O campo não depende da partícula na posição r.
Ele é uma propriedade do espaço na posição r,
quer haja ou não uma partícula nesta posição.

y
x

Partícula fonte do
Campo Elétrico.

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LINHAS DE FORÇA
Uma forma de representar o campo elétrico é usando linhas de força.
Para traçá-las, devemos desenhar a linha tangente ao campo elétrico em cada ponto do espaço.

Convenção: as linhas de força são mais
próximas nas regiões nas quais o módulo
do campo elétrico é maior.
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EXEMPLOS DE LINHAS DE FORÇA

Cargas isoladas

Dipolo

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FLUXO DE UM FLUIDO
Em um fluido:

 

V
t



Avt
t

 Av

O fluxo de um fluído por uma superfície é o
volume de fluído que atravessa esta superfície
por unidade de tempo.

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FLUXO DE UMA CAMPO VETORIAL A
A
Linhas que entram e
saem no volume limitado
por S.

Linhas que somente saem do
volume limitado por S

Linhas que somente entram
no volume limitado por S.

Superfície S

n

A

da

 

 A .n da
S

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LEI DE GAUSS
O objetivo é o cálculo do fluxo do campo elétrico em uma superfície fechada.

Etapa 1: calcular o fluxo para uma calota recortada
sobre uma superfície esférica.
Estratégia:

Etapa 2: mostrar que o fluxo é o mesmo entre duas
calotas de uma mesma superfície esférica que
delimitam o mesmo ângulo sólido.
Etapa 3: mostrar que o resultado que vale para a
superfície esférica é válido para qualquer outra
superfície.

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INTERMEZZO: DEFINIÇÃO DE ÂNGULO E ÂNGULO
SÓLIDO
S

θ

r

Circunferência
 

Ω

C
r

Esfera

C
r

 

S
r

2

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LEI DE GAUSS: SUPERFÍCIE ESFÉRICA, CARGA FORA
DA SUPERFÍCIE
O que acontece com a componente do campo normal à superfície?
Hipótese:
n


q

E2

E1
n

da1

da2
d

Os elementos de área da são tão
pequenos que o campo pode ser
considerado constante.
Observe
1 que:
E 


 E 1 da1   E 2 da 2
2
da  r 
r

2

Portanto:

 E .n da  0
S

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LEI DE GAUSS: SUPERFÍCIE ESFÉRICA CARGA
DENTRO DA SUPERFÍCIE
O que acontece com a componente do campo normal à superfície?
E
da

E .n d a 

n

q

da

4 

r

0

2

r

da

d

r

E .n d a 

q
4  0

2

 d

d

Integrando sobre S:
 E .n

da 

S

 E .n
S


S

da 

q
4 

d 
0

q
4 

0


S

d 

q
4 

4
0

q

0

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LEI E GAUSS, CASO GERAL

da

E



n

Truque: tomamos uma
superfície esférica tão pequena
quanto quisermos em torno da
carga!

r

d

Então:

S

 q

E .n d a    0
0


Como é o mesmo ângulo sólido, o
fluxo é o mesmo!

s e q e s tiv e r n o in te rio r d a s u p e rfíc ie
s e q e s tiv e r fo ra d a s u p e rfíc ie

Lei de Gauss
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LEI DE GAUSS, DISTRIBUIÇÕES DE PARTÍCULAS
CARREGADAS
Para uma distribuição de cargas (pontuais ou uma densidade volumétrica
de carga):
Partículas carregadas


S

E .n

da












i

1

0

qi

0





( r ') d

3

r '

V

Distribuição volumétrica
de partículas
carregadas
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FORMA DIFERENCIAL DA LEI DE GAUSS
Para podermos escrever em forma diferencial a lei de Gauss vamos
analisar o teorema da divergência de Gauss para um campo vetorial
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qualquer:
 A .n d a    .A d x
S
V
V
S
Fluxo de A
Aplicando ao campo elétrico:


q

E .n d a 

0

S



E .n d a 

S

  .E

d

3

1

0




V

3

0

r 


1
  .E 
0


 ( r ') d

3

r

 ( r ') d

3

V

1

r 

V



 .E d

V



1

0



Forma diferencial da Lei
de Gauss

r

V





 ( r ')  d



V



 ( r ')  d


3

r  0

3

r  0

 .E 

 (r )
0

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FIM DA AULA II

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