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CAMPO ELÉTRICO Um corpo próximo a Terra, sofre a ação de uma força gravitacional, sem necessariamente estar em contato com ela (força à distância). Uma carga elétrica puntiforme “Q”, ou uma distribuição de cargas, modifica, de alguma forma, a região que a envolve, de maneira análoga ao campo gravitacional gerado pela Terra. Se colocarmos uma carga puntiforme de prova “q” num ponto “P” dessa região, será constatada a existência de uma força , de origem elétrica, agindo em “q”. Dizemos que a carga elétrica “Q”, ou a distribuição de cargas, origina ao seu redor um campo elétrico, o qual age sobre “q”. O campo elétrico desempenha o papel de transmissor de interações entre cargas elétricas. Essa força elétrica é proporcional ao valor do campo elétrico gerado pela carga “Q” no ponto “P” e ao valor da carga “q”. Assim, a força elétrica na carga “q” é dada por: Onde E é a letra que usamos para representar o campo elétrico. Da definição de produto de um número real por um vetor, podemos concluir que: UNIDADE DE CAMPO ELÉTRICO De: temos que: logo o campo elétrico tem valor de: Exercícios AC3 TRABALHO DA FORÇA ELÉTRICA Supondo-se que uma carga elétrica “q’ seja colocada numa região de campo elétrico uniforme entre duas placas planas e paralelas, de intensidade “E”, ela será acelerada por uma força de atração ou repulsão, e com isso efetuará trabalho de certo ponto ao outro (pois efetuará um deslocamento). Suponha que a carga sofra um deslocamento “d” de um ponto A até um ponto B, ao longo de uma linha de força (ou seja, numa direção retilínea). Da definição de trabalho de uma força constante e paralela ao deslocamento, temos: Lembrando que: F = qE concluímos que o trabalho realizado pela força elétrica no deslocamento da carga do ponto A ao ponto B é : DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO Voltando ao exemplo da carga “q” colocada sobre um campo uniforme. Se outra carga q2, por exemplo, fosse posta em seu local e sofresse o mesmo deslocamento, de acordo com a definição de trabalho, o trabalho efetuado por ela seria: o que iria diferir em relação ao trabalho da primeira carga somente em função do valor de q2, pois os valores de E e d permanecem inalterados. A esse valor , onde no caso de um campo elétrico uniforme é constante e igual a Ed, damos o nome de diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B, ou abreviadamente ddp, ou usualmente conhecida como voltagem. O potencial no ponto A é denotado por e o potencial em B é denotado por Logo: Indicando por a diferença de potencial elétrico Temos que: UNIDADE DE DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO Da equação temos que: Para o cálculo do potencial elétrico em um ponto, é preciso atribuir um valor arbitrário (por exemplo, zero), ao potencial elétrico de outro ponto. Assim, por exemplo, se a ddp entre dois pontos A e B de um campo elétrico é 50V , convencionando-se teremos Porém, se convencionarmos o valor em b será O ponto cujo potencial elétrico é convencionado nulo constitui o ponto de referência para a medida de potenciais. ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA Um campo de forças cujo trabalho entre dois pontos não depende da forma da trajetória é um campo conservativo. As forças desses campos são chamadas forças conservativas. É o caso da força gravitacional e da força elétrica. Quando uma carga elétrica q se desloca num campo elétrico qualquer de um ponto A para um ponto B, o trabalho da força elétrica resultante que age em q, não depende da forma da trajetória, que liga A com B, depende somente dos pontos de partida (A) e de chegada (B). Essa conclusão, embora demonstrada na figura acima para o caso particular do campo elétrico uniforme, é válida para um campo elétrico qualquer. Aos campos de forças conservativas, associa-se o conceito de energia potencial. Assim como associamos uma energia potencial a um campo gravitacional (energia potencial gravitacional), podemos associar ao campo elétrico uma energia potencial (a energia potencial elétrica). Num sistema de cargas onde haja conservação de energia (que serão os casos analisados), o trabalho realizado na carga é igual à variação da energia potencial elétrica sofrida por essa carga entre o ponto de partida (A) e chegada (B): Portanto, a energia potencial elétrica num ponto P qualquer é dada por: DIFERENÇA DE POTENCIAL ENTRE DOIS PONTOS DE UM CAMPO ELÉTRICO UNIFORME Considere dois pontos A e B de um campo elétrico uniforme e intensidade E. Sejam Va e Vb os potenciais elétricos de A e B, respectivamente, e seja d a distância entre as superfícies equipotenciais que passam por A e B. Vimos que quando uma carga puntiforme é deslocada de A para B, a força elétrica realiza trabalho T = qEd Na figura acima, observe que a ddp entre os pontos A e C (Va – Vc) é igual à ddp entre A e B (Va – Vb), pois B e C pertencem à mesma superfície equipotencial (Vb = Vc). Exercícios AC 4 O CAMPO ELÉTRICO DE UM CONDUTOR ELETRIZADO Um corpo eletrizado com uma quantidade de carga Q faz com que as cargas em excesso se afastem ao máximo possível umas das outras, isso causa uma distribuição dessas cargas pela superfície do condutor de forma a ficar em equilíbrio. Essa situação é o que podemos chamar de equilíbrio eletrostático e é uma característica dos condutores, pois esses possuem elétrons livres para se locomoverem pelo corpo após a eletrização em um determinado ponto a fim de criar um equilíbrio através do repouso dessas cargas em excesso. Uma vez que esse corpo eletrizado tenha atingido uma situação de equilíbrio eletrostático, o campo elétrico em seu interior é nulo, independente da forma desse corpo. Isso se deve ao fato de que se o campo elétrico em seu interior fosse diferente de zero os elétrons livres ali existentes entrariam em movimento sob a ação do campo, mas como o corpo está em equilíbrio, essa situação não acontece e por isso o campo elétrico no interior de qualquer corpo condutor eletrizado é nulo. Vale ressaltar que isso não é válido para os corpos isolantes, uma vez que esses não possuem elétrons livres e por tanto se eletrizarmos ele em um determinado ponto as cargas não iriam entrar em movimento a fim de adquirir um equilíbrio. Esses conceitos também são válidos para materiais ocos. Uma vez eletrizado, esse material oco adquire as mesmas propriedades que discutimos no parágrafo anterior. As cargas se distribuem pela sua superfície e no seu interior oco o campo elétrico é nulo. Essas propriedades são conhecidas como Blindagem Eletrostática. A Blindagem Eletrostática é utilizada com grande freqüência em aparelhos eletrônicos e é ela também que garante a segurança de pessoas dentro de carros e aviões durante descargas elétricas. A blindagem faz com que o que esteja no interior do material eletrizado não sofra com nenhum fenômeno elétrico externo. Além desses exemplos, as propriedades da Blindagem eletrostática são válidas para corpos vazados como gaiolas. O Físico inglês Michael Faraday comprovou experimentalmente o efeito da Blindagem Eletrostática colocando-se dentro de uma gaiola metálica, totalmente eletrizada, e pôde comprovar que devido ao fato do campo elétrico ser nulo em seu interior, ele não sofreu com os fenômenos elétricos exteriores da gaiola.A figura abaixo ilustra uma situação do funcionamento do que ficou conhecido como a Gaiola de Faraday. a) Aproximando um corpo eletrizado (A) de um pêndulo elétrico neutro, esse sofre eletrização por indução e é atraído pelo corpo. b) Repetindo o procedimento, mas agora cobrindo o pêndulo por uma gaiola, ele não sofre nenhuma influência do objeto aproximado mesmo a gaiola. RELÂMPAGOS Na atmosfera existem íons positivos e negativos (devido a raios cósmicos, radioatividade de certos materiais, entre outros) os quais , quando presentes a uma saturação de vapor de água no ar, desempenham o papel de aglutinadores de moléculas de água, dando origem às nuvens, que naturalmente apresentam cargas elétricas. Sempre associamos relâmpagos somente a nuvens carregadas, pelo contrário. Os relâmpagos estão associados a outros fenômenos também, como por exemplo, à erupções vulcânicas, tempestades de areia e até mesmo em explosões nucleares. Os relâmpagos têm duração variada, podendo atingir até dois segundos sendo que neste intervalo de tempo podem alcançar até 30 mil Amperes em um décimo de milésimo de segundo. Cerca de 0,1% atingem aproximadamente 200 mil Amperes como valor máximo de pico e este valor decaem lentamente. Fig. 1. 6 - Gráfico mostrando o tempo médio de duração de um relâmpago. Essa corrente flui por um canal de alguns centímetros e possui um comprimento médio de 3 km, ao passar por esse canal o ar é expandido, e esse comprimi o ar adjacente que provoca um efeito sonoro conhecido como trovão, este efeito é provocado pela alta temperatura do relâmpago que pode atingir 30 mil o C. (cinco vezes a temperatura da superfície do sol ). Os relâmpagos podem ser negativo (em média 90%), positivo (em média 9% ), e bipolares (em média 1%). Os relâmpagos negativos transferem cargas negativas da região negativa dentro da nuvem para o solo.; Os positivos transferem cargas positivas da região de cargas positivas próxima ao topo da nuvem para o solo; Os bipolares transferem cargas de ambos os sinais para o solo. Fig. 1.7 – Os três tipos de relâmpagos Os relâmpagos causam consideráveis prejuízos materiais além de perdas de vidas humanas, tais prejuízos podem ser citados: - danificação da rede de distribuição de energia elétrica; - incêndios em florestas e residências; - danos aos sistemas de telefonia e telecomunicações,etc Alguns destes danos podem ser evitados pelo uso do pára-raios. O pára-raios, invenção de Franklin, é basicamente constituído por uma ou mais pontas de material de alto ponto de fusão, que são instalados nas posições mais elevadas da estrutura que se pretenda proteger e interligadas por meio de fios, cujos extremos são aterrados a uma profundidade razoável. A fabricação e comercialização dos captores Radioativos está proibida desde 1989 , através da resolução 04/89 da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) , publicada no D.O.U. em 09/05/89 , devido à não comprovação da sua eficiência pelo uso de material Radioativo. Recomenda-se que nas instalações providas de captores radioativos , este deverá ser retirado e encaminhado à CNEN , de acordo com as exigências deste orgão. Elemento radioativo: Amerício ATERRAMENTO DE PARA-RAIOS Atendendo as exigências da norma, cada descida deverá possuir no mínimo duas hastes de aterramento de 5/8″ x 2,40 metros, apesar de que na grande maioria das vezes são colocadas 3 hastes, de forma a garantir um bom valor de resistência ôhmica, e estas hastes podem estar distribuídas no solo de 3 formas, que são: Distribuição em triângulo - neste posicionamento, as 3 hastes são distribuídas em triângulo, de forma que este triângulo tenha uma distância mínima entre as hastes de 2,40 metros, e estejam interligadas entre si com cabo de cobre nu de 50mm², e com conectores tipo grampo U em latão, ou com solda exotérmica. Distribuição em linha - neste posicionamento as hastes em número de 3 ou de 2, são colocadas em linha, com espaçamento entre si de 2,40 metros, sempre interligadas com cabo de cobre nu de 50mm² e com conectores tipo grampo U em latão ou solda exotérmica. Distribuição prolongada - neste posicionamento, as hastes em número de 2 ou 3 são cravadas no solo uma sobre a outra, ficando uma única haste de 4,80 ou com 7,20 metros. Esta instalação é feita com a cravação da primeira haste, sendo em seguida colocada uma luva cônica de latão que estará interligando a primeira haste com a segunda, e tão logo a segunda esteja cravada, repete-se o processo para se adicionar uma terceira haste. Este processo é muito utilizado em locais onde se torna difícil à quebra de pisos e em locais com pouca área para se fazer os aterramentos. Em qualquer tipo de distribuição, é necessário uma caixa de inspeção de 8″ ou de 12″ com tampa, se possível em todas as hastes, ou na pior das hipóteses, pelo menos na primeira haste mais próxima da edificação, para o caso da distribuição ser em linha ou em triângulo, caixa esta que serve para verificações das hastes e de suas conexões. A norma recomenda que se for utilizado caixa de inspeção no solo, pode-se utilizar conector para conectar o cabo às hastes, porém se for ficar tudo enterrado, obrigatoriamente, deverá ser utilizado solda exotérmica. Outro item que a norma recomenda, é a interligação de todos os aterramentos, a ser executado com cabo de cobre nu de 50mm², circundando toda a edificação, e enterrado aproximadamente 0,50 metros. Esta malha de aterramento, muitas vezes por questão de custo e até por questões físicas das construções, não são executadas, e se esta for a opção, torna-se mais importante ainda se ter um valor de resistência ôhmica o mais baixo possível, já que os aterramentos estarão individualizados. A norma recomenda uma resistência ôhmica abaixo de 10 ohms, para se garantir um bom funcionamento do sistema de pára-raios.
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