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Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico Condutores e Isolantes: Em alguns materiais, como aos metais, algumas das cargas negativas podem se mover livremente. Chamamos esses materiais de condutores. Em outros materiais, como o vidro, borracha e plástico, as cargas não podem se mover livremente. Chamamos de isolantes ou não-condutores A estrutura e natureza elétrica dos átomos são responsáveis pelas propriedades dos condutores e isolantes. Os átomos consistem de cargas positivas, os prótons, cargas neutras, os nêutrons e cargas negativas, os elétrons. Os prótons e os nêutrons estão compactados no núcleo central e os elétrons orbitar o núcleo. Quando os átomos de um condutor, como o cobre, ficam juntos para formar um sólido alguns dos elétrons não ficam presos ao núcleo, mas tornam-se livres para percorrer o sólido. Chamamos estes elétrons de elétrons de condução. Há poucos elétrons livres em um isolante. Chama-se de semicondutores, materiais formados por silício e germânio (Si, Ge), por exemplo, aqueles materiais que são intermediários entre condutores e isolantes. Os elétrons num átomo só podem assumir níveis de energia discretos, obedecendo a Teoria atômica de Bohr e o princípio da exclusão de Pauli, que diz que os elétrons possuem números quânticos distintos. Quando dois átomos se aproximam em uma ligação química, os níveis se sobrepõem devido à interação entre os campos dos dois átomos. Em um cristal, o grande número de superposição dos níveis de energia dos átomos, origina um contínuo de níveis de energia próximos, denominado banda de energia. A configuração dessas bandas de energia determinará a natureza do material. Figura 1 – Representação das bandas de energia em um sólido semicondutor, isolante e condutor. Nos proibida de ene condução (“gap (1eV = 1,6.10-19J). Nos materiais condutores, não há essa separação. Nos materiais semicondutores, essa separação é da ordem de 1 eV, de modo que alguns elétrons podem ser promovidos da banda de valência para a banda de condução. Os átomos de Si, C e Ge possuem 4 elétrons na última camada, formando entre si ligações covalentes e tetravalentes. Quando essas ligações num cristal desse material (Si, C ou Ge) são quebradas pela energia térmica dos elétrons a temperatura ambiente, surge os elétrons livres na banda de condução, gerando uma densidade de elétrons livres n, e aparecem “buracos” (ausência de elétrons na ligação) que geram a densidade de buracos p. Quando n = p denominamos de semicondutor intrínseco. A concentração n.p depende da temperatura: pnTn i ⋅=)(2 O avanço da microeletrônica se deve ao grande desenvolvimento que das últimas décadas nos materiais semicondutores, com a descoberta que pode-se controlar o número de elétrons livres n ou de buracos p, inserindo-se átomos dopantes na rede cristalina do material semicondutor. Tabela I – Tipos de átomos doadores e aceitadores. Dopantes Tipo Átomos Função Doadores n Com 5 elétrons na última camada: P,As, Sb Aumenta n e reduz p Aceitadores p Com 3 elétrons na última camada: B,Ga, In Aumenta p e reduz n Os circuitos integrados, por exemplo, são constituídos por milhares de diodos e transistores, estes por sua vez são fabricados por materiais semicondutores construídos a base dos elementos silício e germânio. Finalmente temos os materiais supercondutores, assim chamados pelo fato de não haver resistência elétrica ao movimento de cargas elétricas através desses materiais. Quando as cargas elétricas se movem em um material, dizemos que ele está sendo atravessado por uma corrente elétrica. Naturalmente, os materiais possuem certa resistência à passagem de corrente elétrica. Por exemplo, o fio usado em dispositivos eletrônicos é um bom condutor de corrente elétrica, mas ainda assim apresenta certa resistência elétrica. Em um E > 6 eV Isolante Banda de condução E ≈ 6 eV Banda de valência Semicondutor Condutor 14 materiais isolantes, há uma região rgia que separa as bandas de valência e de ”), da ordem de valores maiores que 6 eV supercondutor a resistência elétrica é nula. Por exemplo, se você dispusesse de um material supercondutor na forma de um anel e fizesse passar Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 15 uma corrente elétrica por ele, esta irá atravessá-lo indefinidamente, sem a necessidade de uma bateria elétrica para mantê-la. A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo físico holandês Kammerlingh Onnes, que observou que mercúrio sólido perde sua resistência elétrica completamente a temperaturas inferiores a 4,2 K. Até 1986, a supercondutividade estava limitada a pouca utilidade prática, pois até então havia o conhecimento de que os materiais que se tornavam supercondutores necessitavam de uma temperatura abaixo de 20 K. Nos anos recentes, novos materiais supercondutores foram descobertos a temperaturas superiores, dando possibilidade de uma nova era de aplicações. • Condutores esféricos: Se um excesso de carga é colocado em um material condutor esférico, esta carga é distribuída uniformemente na superfície externa do condutor. Por exemplo, ao colocarmos uma quantidade de elétrons em uma casca esférica condutora, estes elétrons se repelirão uns aos outros se distribuindo uniformemente sobre a superfície esférica externa. Princípio da conservação da carga: Benjamin Franklin pensava que a carga elétrica era um fluido contínuo, como o ar e a água, por exemplo. Hoje sabemos que a matéria é composta de certa quantidade de átomos: ela é discreta. Assim ocorre com a carga elétrica. Experimentos mostram que a carga elétrica é discreta, que toda carga elétrica pode ser escrita como: q ne n e C= = ± ± ⇔ = −; , ,..., , .1 2 1 6 10 19 Aqui e é denominada de carga elétrica elementar, uma importante constante da natureza. É de fundamental importância o princípio da conservação da carga elétrica: Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas negativas e positivas se mantém constante. A tabela a seguir mostra algumas propriedades das três partículas elementares de um átomo. Tabela II – Dados das partículas que constituem o átomo. Nome S Q Massa me = −9 1110 31, . kg Mom ento angu lar 2π Elétron e -1e 1 1/2 Próton p 1e 1836.15 1/2 Nêutron n 0 1836.68 1/2 Quando uma quantidade física, como a carga elétrica, assume valores discretos, dizemos que esta quantidade é quantizada. A matéria, a energia e momento angular são quantidades quantizadas. Por exemplo, em um bulbo de uma lâmpada de 100 W, em torno de 10 elementos de carga entram e deixam o bulbo a cada segundo. 19 Exemplo 1 - Um material de Cobre de 3,11 g contém igual quantidade de cargas positivas e negativas. Qual a magnitude da quantidade de cargas positivas neste material? Qualquer átomo neutro possui uma quantidade Ze de prótons e uma quantidade Ze de elétrons, onde Z é seu número atômico. Assim, a quantidade de carga no material é o produto de NZe, onde N é o número de átomos no material e e a carga elétrica elementar. Sendo M a massa molar do Cu (M=63,5 g/mol) teremos: N N m MA = = =6 02 10 3 11 63 5 2 95 1023 22, . . . . , . Átomos. Sendo o número atômico do Cu Z=23: q NZe C= = =−( , . ).( ).( , . )2 95 10 29 1 6 10 13700022 19 A Conservação da carga elétrica: Se você esfregar uma haste em um tecido, medidas mostram que as cargas positivas se acumularam na haste e as negativas no tecido. Isto sugere que não há criação da carga, porém uma transferência da mesma. Essa hipótese de conservação da carga foi colocada pela primeira vez por Benjamin Franklin. Um exemplode fenômeno que envolve a conservação da carga: o decaimento do urânio, no qual um núcleo se transforma espontaneamente em outro tipo de núcleo. Por exemplo, o 238 , ou urânio 238, o qual é encontrado, pode decair emitindo uma partícula alfa: e transformando-se em tório 234: U 238 234 4U Th He→ + Outro exemplo de conservação da carga é o que acontece quando um elétron (e ) encontra sua anti-partícula, o pósitron (e ) , cuja carga é +e, dando origem a dois raios gama de alta energia: − + e e− ++ → +γ γ Este processo é chamado de aniquilação. Exercícios: 1) Qual a força eletrostática entre duas cargas de 1C separadas por uma distância de: a) 1 m. b) 1 km Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 16 2) Uma carga puntiforme de 3 00 10 6, . − C está a 12cm de uma outra carga puntiforme de − −1 5 10 6, . C . Calcule a magnitude da .força sobre cada carga. 3) Qual deve ser a distância entre as cargas puntiformes q C q1 226 0 47 0= = −. ; . Cµ µ para que a força entre elas seja de 5.7 N? 4) Em um dispositivo luminoso, uma corrente de flui durante 20ms. Qual a quantidade de carga que a atravessa? 2 5 104, . A 5) A figura ilustra três cargas puntiformes, de intensidades q q q1 2 3 20= = = Cµ , e o valor de d é 1,5m. a) d q q 1 2 q 1 q2 q3 d d d a) Encontre a força elétrica sobre a carga q1 em cada caso. 6) Porque experimentos em eletrostática não se realizam muito bem emdias húmidos? 7) As cargas q1 e q2 e q3 estão alinhadas nas posições x=-a, x=0 e x=a, respectivamente, no eixo x. Os valores das cargas são:q Q q Q q1 2 3 2= + Q= − = +, ; . Determine: a) A força elétrica resultante sobre a carga q1. b) A força elétrica resultante sobre a carga q2. c) A força elétrica resultante sobre a carga q3. 8) Dispõe-se de 4 cargas localizadas nos vértices de um quadrado, como mostra a figura abaixo: +2q -2q +q -q x y a a Determine a força elétrica resultante sobre cada carga. 9) Duas cargas puntuais, de valores +q e +4q, estão a uma distância L entre si. Uma terceira carga é colocada de modo que o sistema permaneça em equilíbrio. a) Determine a localização, a magnitude e o sinal da terceira carga. b) Mostre que o equilíbrio do sistema é instável. 10) Determine a quantidade de elétrons em uma carga de 1 C. 11) A magnitude da força elétrica entre dois íons separados de 5 0 m é 3 710 10, . − 10 9, . − N . a) Qual o valor da carga elétrica de cada íon? b) Determine o excesso de elétrons do íon. 12) Quantos megacoulombs em de carga elétrica (prótons ou elétrons) estão presentes em 1,00 mol de gás molecular hidrogênio (H2)? 13) A atmosfera terrestre é constantemente bombardeada por raios cósmicos (prótons) provenientes do espaço. Se em cada metro quadrado da superfície terrestre é bombardeado por uma taxa média de 1500 prótons por segundo, qual seria a correspondente corrente interceptada pela superfície total da terra? 14) Qual a magnitude da força elétrica entre um íon de sódio Na + (carga + e) e um íon de cloro Cl− (de carga -e) presentes no cristal NaCl (separação:Na-Cl: 2 8 )? 2 10 10, . − m 15) Coloca-se uma carga A de magnitude +Q em contato com uma carga neutra B. Em seguida aproxima-se a carga A de uma carga C de valor -2Q colocando-as em contato e separando-as. Sabendo que as cargas estão isoladas eletricamente, determine: a) O valor da carga A após o contato com a carga B. b) Os valores das cargas A,B e C após os contatos finais. c) Encontre a força de interação entre as cargas A e C, sabendo que sua separação é r. 16) aproxima-se um condutor de carga negativa de um corpo neutro. Em seguida aterra-se o corpo neutro. Qual será a carga final do corpo neutro? Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 17 17) Duas idênticas esferas condutoras, fixas no espaço, atraem-se com uma força de 0,108 N quando separadas por uma distância de 50,0 cm. As esferas são então conectadas por um fio condutor. Quando o fio é removido, as esferas exercem entre si uma força de 0,0360 N. Qual o valor inicial da carga das esferas? 18) Que quantidade de cargas positivas deveria ser colocada naTerra e na Lua para neutralizar sua atração gravitacional? Quantos kilogramas de hidrogênio seriam necessários para prover essa carga? 19) São colocadas algumas cargas no plano xy: q1=+3µC; x1=3,5 cm e y1=0,5cm; q2=-4µC; x2=-2,0 cm, y2=1,5 cm. a) Encontre a magnitude e direção da força eletrostática sobre a carga q2. b) Onde seria necessário colocar uma carga q3 = +4 µC para que anulasse a força eletrostática sobre a carga 2 ? 20) Uma lâmpada de 100 W opera a 120 V e passa por ela uma corrente de 0,83 A (assumindo a corrente estacionária). Quanto tempo demora para 1 mol de elétrons atravessar a lâmpada? Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 18 Campo Elétrico • Introdução: Suponha que uma carga fixa positiva q1 está fixa em um ponto do espaço e colocamos uma segunda carga q2 próxima a ela. Da Lei de Coulomb sabemos que q1 exerce uma força eletrostática repulsiva sobre q2 e poderíamos, conhecidas as cargas e a distância entre elas, determinar a força de interação. Porém permanece a questão: Como q1 "sabe" da presença de q2? Esta questão sobre ação à distância pode ser explicada devido a presença de um campo elétrico, criado no espaço em torno da carga q1. Em um dado ponto P do espaço, o campo elétrico dependerá da magnitude da carga q1 e da distância da carga q1 a P. Quando colocamos q2 em P, q1 interage com q2, através do campo elétrico em P. Como um exemplo prático de ação à distância, durante o vôo da espaçonave Voyager II em torno do planeta Urano, sinais de comando eram enviados da Terra para a espaçonave. Esses sinais enviados por ondas de rádio, (um tipo de onda eletromagnética), eram gerados por meio de oscilações de elétrons em uma antena de transmissão na Terra. O sinal movia-se através do espaço e era recebido pela espaçonave somente quando elétrons na antena receptora da nave oscilavam, 2,3 h depois do sinal ser enviado pela Terra. O sinal se propaga pela velocidade c da luz no vácuo. Este e muitos outros exemplos mostram que a eletricidade, o magnetismo, a ótica podem representar juntas uma maneira conjunta de se explicar um fenômeno. • O Campo Elétrico: O campo elétrico é um campo vetorial: consiste de uma distribuição de vetores, um em cada ponto da região em torno de um objeto carregado. Em princípio, definimos o campo elétrico quando colocamos uma carga teste ou carga de prova q0 em uma região do espaço próxima a um objeto carregado, em um ponto P, como mostra a figura 2 (a): E rrR ′−= P(x, y, z) Q(x’, y’, z’) r ′ r O (Origem) Figura 2 – (a) Cálculo do campo em P (x, y, z). rr rr rr QrE ′− ′− ′− = 2 04 )( πε Aqui: • O vetor r′ localiza o ponto Q da carga . r• O vetor identifica o ponto genérico do espaço P(x, y, z). • O vetor rrR ′−= de Q a P. Podemos ainda escrever: ( ) 3 04 )( rr rrQrE ′− ′− = πε Ou: ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )[ ] 2322204 ˆˆˆ )( zzyyxx azzayyaxxQ rE zyx ′−+′−+′− ′−+′−+′− = πε O campo devido a n cargas pontuais Q1 localizada em 1r 2r, Q2 localizada em ,..., Qn localizada em nr será dado por: n n n a rrQa rr Qa rr QrE ˆ 4 ˆ 4 ˆ 4 )( 0 22 20 2 12 10 1 − ++ − + − = πεπεπε ∑ = − = n m m m m a rr QrE 1 2 10 ˆ 4 )( πε Esse resultado é conhecido como o princípio da superposição, que veremos adiante. Figura 2 – (b) Carga de prova na presença de um campo elétrico. + + + + + + + + + + + + Objeto carregado Carga teste F + + + + + + + + + + + Campo e em P E a) b) P . + Mede-se a força eletrostática F que atua na carga de prova. O Campo elétrico no ponto P devido a presença do objeto carregado é definido por: E F q = 0 Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 19 Figura 3 – Representação das linhas de força de uma carga elétrica negativa. A direção de E é a direção da força elétrica e o sentido depende do sinal da carga do corpo carregado. A unidade do sistema internacional (SI) para o campo elétrico é o Newton por Coulomb (N/C). Na figura a seguir ilustramos o sentido do campo elétrico para dois corpos carregados com cargas opostas: Figura 4 – Campo elétrico de carga positiva e negativa. + + + - - - - - - - - - - + + + P P E E Corpo carregado Ou seja, o campo converge em P para o objeto carregado negativamente e diverge em P para um objeto carregado negativamente. A força atuando entre duas partículas carregadas era pensada como uma interação direta e instantânea entre as partículas: A ação à distância era vista como: Carga 1 → Carga 2 Hoje, sabemos que o campo elétrico atua como um intermediário entre as cargas, ou seja, a ação é simbolizada por: Carga 1 → campo → Carga 2 A tabela a seguir ilustra alguns campos elétricos existentes na natureza: Tabela III – Valores de Campos elétricos típicos. Campo Valor (N/C) Na superfície de um núcleo de Urânio 3 0 1021, . Átomo de Hidrogênio (órbita de um elétron) 5 0 1011, . Acelerador de elétrons em um tubo de TV 105 Baixa atmosfera 102 Dentro de um fio de cobre em circuitos de casa 10 2− • Linhas de Força - Linhas de Campo Elétrico: Michael Faraday introduziu a idéia de campo elétrico no século XIX, através de linhas de força que preenchiam o espaço ao redor de uma carga elétrica. A relação entre as linhas de campo e o vetor campo elétrico é: 1) Em qualquer ponto, a direção do campo a de linha de força. elétrico é o da tangente à curv 2) O número de linhas de força por unidade de área, medida em um plano que é perpendicular às linhas de força, é proporcional à magnitude do campo elétrico E. Ou seja, se as linhas de campo estão mais juntas, o campo é intenso, se estão mais distanciadas, o campo é pequeno. A figura abaixo ilustra as linhas de força para cargas elétricas puntiformes de sinais iguais e de sinais opostos. Figura 5 – Linhas de força de cargas positivas (a) e dipolo elétrico (b). (a) Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 20 (b) Observe que: O número de linhas de força que saem da carga positiva é o mesmo que chegam à carga negativa; as linhas de força não se cruzam em nenhum ponto do espaço e convergem para a carga negativa, divergindo para a carga positiva. Equação das linhas de Força: Observe que: x y E E dx dy = O campo elétrico de uma carga pontual é dado por: E k q r = 2 Onde q é o valor da carga, r é a distância do ponto à carga elétrica. Se tivermos diversas cargas puntiformes q1,q2,...,qn , o campo elétrico resultante em um ponto P do espaço é da erposição: do pelo princípio da sup E E E E ERP n= + + + +1 2 3 ... Exemplo 2 - A figura abaixo mostra uma carga +8q na origem do eixo x e uma carga -2q localizada em x=L. Em que posição o campo elétrico resultante se anula? Figura 6 – Distribuição de cargas do Exemplo 2. Observe que as únicas regiões possíveis do campo elétrico resultante se anular estão à direita da carga -2q (carga 2) e a esquerda da carga +8q (carga 1). Assim temos: E E E E E= + = ⇒ = −1 2 1 20 Em módulo temos: E E1 2= . Chamando a distância do ponto à carga 1 de x, teremos: k q x k q x L x L x x L8 2 1 4 22 2 2= − ⇒ − = → = ( ) ( ) Exemplo 3 - O núcleo de um átomo de Urânio têm raio igual a 6,8 fm (fermi) . Assumindo que a carga positiva no núcleo está distribuida uniformemente, determine o campo elétrico num ponto da superfície do núcleo devido a esta carga. O núcleo tem uma carga positiva Ze, onde o número atômico Z para o átomo de urânio é de Z=92, e e C= −1 6 10 19, . é a carga de um próton. Se a carga está distribuída uniformemente, a força eletrostática sobre uma carga de prova na superfície do núcleo é a mesma se toda a carga nuclear estivesse concentrada no centro nuclear. Então: E Ze R N C= = = − − 1 4 9 0 10 92 1 6 10 6 8 10 2 9 10 0 2 9 19 15 2 21 πε , . ( , . ) ( , . ) , . Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 21 • Campo Elétrico de um Dipolo Elétrico: Duas cargas de mesma magnitude porém sinais opostos formam um dipolo elétrico. O campo elétrico num ponto P é dado por (Observe da figura): Figura 7 – Representação de dipolo elétrico. + - +q -q P E(-) E(+) r(+) r(-) d p z E E E k q r k q r kq z d z d = − = − = −+ − + − − +( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ]2 2 1 1 1 2 2 1 2 2 Após uma pequena álgebra, chega-se a: E k q z d z d z= − − + − − 2 2 2 2 21 1[( ) ( ) ] É interessante usualmente verificar os efeitos do dipolo a distâncias grandes comparadas com suas dimensões. Assim, suponha que z d d z>> ⇒ << a grandes distâncias 2 1. Pode-se expandir as duas quantidades no colchetes da equação acima por: E k q z d z d z d z= + + − − + ⇒ <2 1 1[( ...) ( ...)] < 1 Teremos o campo elétrico do dipolo dado por: E k qd z p z = = 2 1 23 0 3πε Chamamos de p o momento de dipolo elétrico o produto q.d: p qd= p possui sentido da carga negativa para a positiva e direção do eixo do dipolo. • Distribuições de Carga: Uma distribuição de carga consiste de muitas cargas pontuais (bilhões) espaçadas ao longo de uma linha, superfície ou volume. Desde que estas distribuições são dita contínua e contém um número enorme de cargas elétricas pontuais, o campo elétrico é encontrado considerando cada carga da distribuição. Nesse caso, é conveniente tratar o problema com o auxílio da densidade de carga, que pode ser de acordo com a tabela abaixo: Nome Símbolo SI Unidade Carga q C Densidade de Carga Linear λ = rL C/m Densidade de Carga Superficial σ = rS C m2 Densidade de Carga Volumétrica ρ = rv C m3 Aqui, escrevemos a densidade de carga volumétrica por: v Q vv ∆ ∆ = →∆ 0 limρ A carga total num volume finito é: dvQ V v∫∫∫= ρ Campo Elétrico devido a uma distribuição de cargas: rr rr rr QrE ′− ′− ′− ∆ =∆ 2 04 )( πε rr rr rr v rE v ′− ′− ′− ′∆ =∆ 2 04 )( πε ρ Se somarmos as contribuições para todas as cargas deste volume em uma dada região e considerarmos o volume elementar dv’ tendendo a zero a medida que esses elementos se tornam infinitos, o somatório se torna uma integral: ∫∫∫ ′− ′− ′− ′′ = v v rr rr rr vdr rE 2 04 )( )( πε ρ A seguir, indicaremos os versores, elementos de volume e transformação de coordenadas que serão úteis na resolução de problemas. Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 22 Coordenadas Cilíndricas Relações: P(r, f, z) → P(x,y,z): φρ cos=x ; φρseny = ; z z= Relações: P(x,y,z) → P(r, f, z): x yarctg=φ z=z 22 yx +=ρ zP y r zâ φâ f zâ ρâ yâ x xâ • Relações entre versores das coordenadas cartesianas para cilíndricas: Mostramos que: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = += −= zz y x aa asenaa senaaa ˆˆ cosˆˆˆ ˆcosˆˆ φφ φφ φρ φρ • Relações entre versores das coordenadas cilíndricas para cartesianas: Manipulando as equações acima, veja que: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = +−= += zz yx yx aa asenaa senaaa ˆˆ cosˆˆˆ ˆcosˆˆ φφ φφ φ ρ Produtos escalares entre os sistemas cartesiano e cilíndrico ρâ φâ zâ xâ φcos φsen− 0 yâ φsen φcos 0 zâ 0 0 1 • Elemento de Volume: dzdddv φρρ= • Vetor deslocamento: zyx azayaxr ˆˆˆ ++= zyx azasenar ˆˆˆcos ++= φρφρ zazar ˆˆ += ρρ • Diferencial do deslocamento: Diferenciando a relação acima, vemos que: zadzadadrd ˆˆˆ ++= φρ φρρ • Coordenadas Esféricas Relações: P(f,r,θ) → P(x,y,z): θφsenrx cos= ; φθsenrseny = ; θcosrz = Relações: P(x,y,z) → P(f,r,θ): 222 zyxr ++= x yarctg=φ z yxarctg 22 + =θ Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 23 z râ φâ θ P r y θâ r f zâ yâ x xâ • Vetor deslocamento: zyx azayaxr ˆˆˆ ++= rarr ˆ= • Diferencial do deslocamento: φθ φθθ adrsenardadrrd r ˆˆˆ ++= • Relações entre versores das coordenadas cartesianas para esféricas: Veja que: zyxr azayaxarr ˆˆˆˆ ++== zyxr arasenrsenasenrar ˆcosˆˆcosˆ θθφθφ ++= zyxr aasensenasena ˆcosˆˆcosˆ θθφθφ ++= Da figura, veja que: zyx asenasenaa ˆˆcosˆcoscosˆ θφθφθθ −+= E: yx aasena ˆcosˆˆ φφφ +−= ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ++= +−= −+= zyxr yx zyx aasensenasena aasena asenasenaa ˆcosˆˆcosˆ ˆcosˆˆ ˆˆcosˆcoscosˆ θθφθφ φφ θφθφθ φ θ Produtos escalares entre os sistemas cartesiano e esférico râ θâ φâ xâ φθ cossen φθ coscos φsen− yâ φθsensen φθsencos φcos zâ φcos θsen− 0 • Elemento de Volume: θφθ ddrdsenrdv 2= Exemplo 4 - Encontre o Campo elétrico resultante sobre o eixo de um anel de raio R com densidade de carga uniforme e positiva. Figura 8 – Anel de raio R com carga Q. (Young & Freedman, Física III) Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 24 Cada elemento de carga se relaciona com a densidade linear l por: dq ds= λ . Este elemento de carga diferencial produz um vetor campo elétrico dE no ponto P, dado por: dE k k ds r dq r = =2 2 λ Podemos escrever: dE k ds z R = + λ ( )2 2 , porém, somente a componente do campo elétrico ao longo do eixo do anel contribuirá para o campo elétrico resultante: 2 1)()()( cos 222222 Rz z Rz dsk Rz dskdE rz ++ = + = λλθ 2 3)( cos 22 Rz dszkdE + = λθ Para adicionar todas as componentes integra-se sobre todos os elementos de campo: ∫ ∫+== R ds Rz zkdEE πλθ 2 0 22 23)( cos E k z R z R = + λ π2 2 2 32( ) 2322 0 )(4 1 Rz zQE + ⋅ = πε Exemplo 5 – Seja um fio longo e carregado, com densidade linear λ por unidade de comprimento.O fio encontra-se sobre o eixo y. Deseja-se calcular a intensidade do campo elétrico, devido ao fio, num ponto P a uma distância r do ponto médio, como é mostrado na figura: Figura 9 – Fio longo com densidade de carga linear λ.. Seja o fio dividido em pequenos pedaços dy. A carga dq em cada elemento será: dydydq dy dq L Q Lρλλ ==⇒== O Campo elétrico devido a este elemento de carga será: 2 0 2 0 4 1 4 1 r dydE r dqdE λ πεπε =⇒= O campo total em P terá componentes em x e em y, de forma que: ⎩ ⎨ ⎧ ⋅= ⋅= α α sendEdE dEdE y x cos Assim, com , teremos: 222 yxr += ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + − ⋅= + ⋅= 22 22 yx ydEdE yx xdEdE y x Assim, teremos: ( ) ( )⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + ⋅ − = + ⋅= 3220 3220 4 4 yx ydydE yx xdydE y x πε λ πε λ Os campos totais serão dados pelas integrais das expressões anteriores: ( ) ( )⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + ⋅ − = + ⋅= ∫ ∫ − + − dy yx yE dy yx xE L L y L L x 2322 0 2322 0 4 4 πε λ πε λ Calculando as integrais: ( ) ( ) Ly Ly x yxx yxyE += −=⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + + = 2322 22 04πε λ ( ) ( ) ( ) ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + +− − + + = 2322 22 2322 22 04 Lxx LxL Lxx LxLEx πε λ ( ) ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + + = 2322 22 0 2 4 Lxx LxLEx πε λ Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 25 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = 22 0 2 4 Lxx LEx πε λ Mostre que: Ey=0 Veja que se LLxxL ≅+⇔>> 22 Então: x Ex λ πε 02 1 = No livro do Hayt, a expressão mostrada idêntica é: ρρπε ρ aE L ˆ 2 0 = Aqui: r é a distância do fio ao ponto, perpendicular ao fio (em coordenadas cilíndricas, se o fio estiver sobre o eixo Oz, por exemplo). ρâ : vetor unitário que sai do ponto P que se quer calcular o campo elétrico. Exemplo 6 – Um plano infinito carregado com uma carga positiva Q distribuída uniformemente sobre sua superfície no plano xy. A densidade superficial de carga é rS = σ. Encontre o campo elétrico em P situado a uma distância a do plano. z y´ dy’ y r’ θ P(x,0,0) x Ed , xEd Vamos calcular o campo elétrico em P como o campo devido a contribuição de infinitos fios colocados no plano zy: As densidades superficial e linear de carga se relacionam por:d yd ydzdyd dQ Ad dQ SL L S ′=⇒′ = ′′ = ′ = ρρ ρ ρ Da figura observe que: θ ρπε ρ cos 2 0 ′ = LxdE θ πε ρ cos 2 220 yx yd dE Sx ′+ ′ = 2222 02 yx x yx yd dE Sx ′+′+ ′ = πε ρ 22 02 yx yddE Sx + ′ = πε ρ Fazendo a integração, consideraremos a contribuição de todas as faixas: ∫ +∞ ∞− ′+ ′ = 22 02 yx yxdE Sx πε ρ ∫ +∞ ∞− ′+ ′ = 22 02 yx ydxE Sx πε ρ ( )( )∫ +∞ ∞− ′+ ′ = 22 0 12 x y S x x ydxE πε ρ Fazendo: xduyd x yu =′⇒ ′ = ∫ +∞ ∞− + = 2 0 1 1 2 u xdu x E Sx πε ρ ∫ +∞ ∞− + = 2 0 12 u du x xE Sx πε ρ Como: Carctgu u du += +∫ 21 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ′− ′ = −∞→+∞→ x yarctg x yarctgE yy S x '' 0 limlim 2πε ρ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−−= 222 0 ππ πε ρ S xE 02ε ρ S xE = Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 26 Observe que se o ponto P estivesse no semieixo Ox negativo: 02ε ρ S xE −= Se definirmos um vetor sempre normal ao plano: N S aE ˆ 2 0ε ρ = Observações: • O campo é constante em módulo e direção. • Se uma segunda lâmina com mesma densidade de carga, porém negativa, estivesse localizada no plano paralelo ao anterior x = a teríamos na prática, um capacitor plano, desde que desprezassem os efeitos de borda. Nesse caso, o campo será dado por: ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ > << < = ax axa xE x S ;0 0;ˆ 0;0 0ε ρ Exemplo 7 – Um disco carregado com uma carga positiva Q distribuída uniformemente sobre sua superfície no plano xy. A densidade superficial de carga é rS = σ. Se o raio externo do disco é R, determine o campo no eixo do disco. rdrdAdQ sS πρρ 2== ρπρρρ ddAdQ sS 2== zazr ˆ= ρρar ˆ=′ ρρaazrr z ˆˆ −=′− 22 ρ+=′− zrr rr rr rr dQrEd ′− ′− ′− = 2 04 )( πε ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ = 2222 04 2 )( ρρπε ρπρρ z z z d rdE Sz φφρ senaaa yx ˆcosˆˆ += As componentes Ex e Ey são nulas. Mostre isso integrando. ( ) ρ ρ ρ πε πρ d z z rE R S z ∫ + = 0 2322 04 2 )( R S z z z rE = = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −= ρ ρ ρπε πρ 0 22 0 1 4 2 )( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − + −= zzR z rE Sz 11 2 )( 22 0ε ρ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −= 22 0 11 2 )( zRz z rE Sz ε ρ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −= 22 0 1 2 )( zR zrE Sz ε ρ Observe que interessante: quando R tender a infinito, teremos: teremos: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + −= ∞→∞→ 22 0 lim1 2 )(lim zR zrE R S zR ε ρ 02 )( ε ρ S z rE = Ou seja, o campo do disco infinito fica idêntico ao de um plano infinito, o que era esperado!!!. Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 27 Aplicações: 1. Forno de Microondas: o muda, pois na devem quebrar pelo menos uma de suas pos se separam, aumentando assim a sua ilustram a orientação de m dipolo na presença de um campo elétrico niforme, a molécula de água e a energia associada à tação devido ao torque. Na água, as moléculas se encontram livres para se mover relativamente às outras moléculas. O campo elétrico produzido por cada dipolo afeta os outros dipolos em sua volta.Como resultado, as moléculas podem estar ligadas em grupos de dois ou três, devido ao fim negativo de um dipolo (oxigênio) e ao fim positivo de outro dipolo (hidrogênio) que se atraem. Quando cada grupo é formado, a energia potencial elétrica é transferida através de movimento térmico do grupo e para as moléculas em volta. Quando ocorre a colisão entre as moléculas, há a transferência inversa de energia. A temperatura da água, que está associado com o movimento térmico das moléculas, nã média, a energia transferida é zero. Em um forno de microondas, porém, ocorre um processo diferente. Quando está funcionando, as microondas produzidas pelo forno produzem um campo elétrico que oscilam rapidamente numa direção para frente e para trás. Se há água no forno, o campo elétrico oscilante exerce torques também oscilantes na molécula de água, rodando continuamente para trás e para frente alinhando seus momentos de dipolo com a direção do campo elétrico. As moléculas que estão ligadas aos pares podem se alinhar, porém aquelas ligadas em grupos de três três ligações. As energias para quebrar essas ligações vêm do campo elétrico, isto é, das microondas. Então as moléculas que se separaram dos grupos podem formar outros grupos, transferindo a energia que ganharam em energia térmica. Então a energia térmica é adicionada à água quando os grupos se formam, mas não é removida quando os gru temperatura. Graças ao dipolo elétrico que a molécula de água forma, é possível cozinhar alimentos a partir de um forno de microondas. As figuras abaixo u u ro 2. Tubo de Raios Catódicos. Em 1897, J.J. Thompson, juntamente com um grupo dos estudantes diplomado dele, tinha a intenção de investigar o elétron. Ele projetou alguns tubos que continham eletrodos dentro com o ar evacuado dos tubos. Estes foram chamados “Tubos” de Crookes nomeados mais tarde de “Tubos” de Raios Catódicos. Foram executadas Experiências nestes tubos nas quais atas voltagens geradas por uma corrente elétrica passada entre os dois elétrodos. Foram gerados raios como emanações procedidas do elétrodo de Cátodo ao elétrodo de Ânodo. Considerando que estas emanações originaram do elétrodo de Cátodo que eles seriam chamados "Raios" Catódicos. J.J. Thompson projetou alguns tubos especiais que investigaram as propriedades destes "Raios" Catódicos. Ele projetou um tubo que permitiu Raios Catódicos imprensar contra uma tela de superfície de Sulfeto de Zinco. Como os raios imprensaram na superfície, emitiu uma faísca de luz de forma que o caminho do raio invisível poderia ser observado. Ele procedeu fazer um campo elétrico que Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 28 consiste em um prato positivo e um prato negativo perto do vacinity dos Raios. Quando a corrente elétrica do campo elétrico foi invertida, o caminho dos “raios” foi mudado para longe do prato negativo e para o prato positivo. Esta era uma indicação clara que deduziu que os raios possuíam uma carga negativa. Uma sombra em forma de cruz foi formada na frente do tubo. O único modo que os “raios” pudessem lançar uma impressão de sombra gia s dentro dos átomos. É interessante notar que a terçeira ossa compreensão da quím Thompson determinou a carga de pólvora para amontoar eterminação da carga de pólvora por trário provar que o cátodo roduziu que um fluxo de partículas negativamente arregadas chamado elétrone. 3. Impressoras jato de Tinta. (DeskJet). 4. na parte de trás do tubo era se eles fossem além do caminho de saída e formassem a cruz. Isto indicaria fortemente que os teriam que possuir massa Mas se os “raios” possuíssem massa que significaria que eles não eram raios (pura radiação) e sim partículas com uma massa finita! Outro tubo experimental envolvendo uma roda de remo colocada no caminho dos raios de cátodo resultado no movimento da roda de remo quando a corrente foi invertida. Para que a roda de remo seja usada para mover, os Raios teriam que ter impulso passando para a roda. Isso significaria que o assim chamou raios teriam que possuir impulso isto para dar impulso a algum outro objeto. Estes “raios” eram na verdade elétrons. Em 1891 um Professor chamado Stony (Prof. de Eletricidade) investigava uma fonte de ener para reações químicas. Ele sugeriu que uma corrente elétrica fosse o resultado de partículas móveis que ele sugeriu deveriam ser chamadas "elétrons". Estas experiências definitivamente definiram os raios como partículas atuais que têm uma carga de negativa e uma massa finita. Em 1886, Professor Goldstein executou experiências semelhantes que usam uma superfície de cátodo perfurada. Isto produziu uma partícula que possuiu uma carga positiva e uma massa umas 2000 vezes mais que o elétron de Thompson. Esta partícula foi chamada de próton. Considerando que elétrons e prótons vieram da superfície de um objeto, é lógico concluir que todo objeto está composto destas partícula partícula subatômica do átomo não foi observada até 1932 uns 35 anos depois da descoberta do elétron e o próton. A partícula tinha sido predita em 1920, mas não foi descoberta até 1932, quando Chadwick observou estas partículas neutras que ele chamou de nêutrons enquanto executava uma série de experiências de câmara de nuvem. Era o caminho de condensação dos nêutrons semelhante para os rastros de jato que motores a jato fazem quando a altitude que permitiu a observação destas partículas. Como a chave para n ica reside em nosso conhecimento dos elétrons e prótons, a descoberta atrasada dos nêutrons não alterou o quadro formado do átomo em 1932. Em 1909, Robert Millikan executou a experiência de gota de óleo legendária dele que lhe permitiu determinar a magnitude exata da carga de pólvora do elétron, 1.60 X 10-19 C. Mais cedo, relação do elétron, 1.76 X 108 coulomb / grama, assim esta d Millikan permitiu a determinação da massa do elétron, 9.09.10-28 gramas. A experiência de J.J. Thompson demonstrou que átomos estãorealmente compostos de agregados de partículas carregadas. Antes do trabalho dele, acreditava-se que átomos eram distribuídos de maneira uniforme. A primeira evidência ao con veio quando as pessoas começaram a estudar as propriedades de átomos em campos elétricos. Se uma amostra de gás é introduzida na região entre dois pratos carregados, um fluxo atual pode ser observado e sugere que os átomos estiveram abaixo quebrados em componentes carregados. Em 1897, Thompson teve a intenção de p c Experiência de Millikan. Robert Andrew Millikan nasceu em 22 de março, 1868, em Morrison. (EUA), como o segundo filho do Reverendo Silas Franklin Millikan e Mary Jane Andrews. Os avós dele eram da Velha ação de Inglaterra Nova que tinha vindo para a América antes das 1750, e era o colono pioneiro no Oeste Mediano. Sua infância teve aspectos rurais e freqüentou a escola secundária de Maquoketa (Iowa). Depois de trabalhar pouco tempo como um repórter de tribunal, ele entrou em Faculdade de Oberlin (Ohio) em 1886. Durante seu curso de estudante universitário seus assuntos favoritos eram gregos e matemáticos; mas depois da graduação em 1891 levou, durante dois anos, um posto pedagógico em física elementar. Era durante este período que desenvolveu o interesse no Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 29 assunto no qual chegou a superar. Em 1893, depois de obter o mestrado em física, foi designado Professor em Física na Universidade de Columbia. Ele recebeu o Ph.D depois (1895) na pesquisa da polarização de luz emitida up ht, (1908); última instância aos estudos significantes Tempo, Importe, e Valores (1932). Logo antes a morte aios Cósmicos (1947) e a sua Autobio ião de Honour, e ástico, e : Clark Blanchard, Glenn de dezembro, 1953, em San De Conferências de Nobel, Físicas 1922-1941. O Aparelho: sui aproximadamente 12 poleg bombardeiro que voa a 30,000 pés de Hudson Bay por s erfícies incandescentes - usando para este propósito ouro fundido e prata. Na companhia de seus professores, Millikan passou um ano (1895-1896) na Alemanha, nas Universidades de Berlim e Göttingen. A convite de Michelson, resolveu ficar assistente no Laboratório de Ryerson recentemente estabelecido na Universidade de Chicago (1896). Millikan era um professor eminente, e atravessando os graus habituais ele se tornou o professor naquela universidade em 1910, um posto que ele reteve até 1921. Durante os anos em Chicago ele gastou muito tempo preparando livros de ensino e simplificando o ensino de física. Ele era autor ou co-autor dos títulos: Um Curso de Faculdade em Física, com S.W. Stratton (1898); Mecânica, Física Molecular, e Calor (1902); A Teoria de Óptica, com C.R. Mann traduziu do alemão (1903); Um Primeiro Curso em Física, com H.G. (1906); UM Curso de Laboratório em Física para Escolas Secundárias (1907); Eletricidade, Soe, e Lig Físicas Práticas - revisão de UM Primeiro Curso (1920); O Elétron (1917; rotação. eds. 1924, 1935). Como um cientista, Millikan fez numerosas descobertas, principalmente nos campos de eletricidade, ótica, e física molecular. O sucesso principal dele era a determinação precisa da carga de levada por um elétron e usou o método “de gota de óleo”; ele também provou que esta quantidade era uma constante para todos os elétrons (1910), demonstrando assim a estrutura atômica de eletricidade. Logo, ele verificou a equação fotoelétrica de Einstein experimentalmente, e fez a primeira determinação da constante h de Planck (1912- 1915). Além dos estudos dos movimentos de Brownian em gases acabaram toda a oposição com as teorias atômicas e cinéticas. Durante 1920-1923, Millikan se ocupou com trabalho relativo de espectroscopia dos elementos (que explorou a região do espectro entre o ultravioleta e radiação-X), estendendo assim o espectro ultravioleta distante além do limite conhecido. A descoberta da lei de movimento de uma partícula que se cai para a terra depois de entrar na atmosfera da terra, junto com as outras investigações dele em eletricidade, o conduziu em de radiação cósmica (particularmente com câmaras de ionização). Ao longo da vida Millikan permaneceu um autor prolífico e faz numerosas contribuições a diários científicos. Ele não só era um cientista de ponta, mas a natureza religiosa e filosófica era evidente nas conferências e na reconciliação de ciência e religião e em seus livros: Ciência e Vida (1924); Evolução em Ciência e Religião (1927); Ciência e a Civilização Nova (1930); dele ele publicou Elétrons (+ e–), Prótons, Fótons, Nêutrons, Mésons, e R grafia (1950). Durante a Primeira Guerra Mundial, Millikan era o Více-presidente do Conselho de Pesquisa Nacional e estudou dispositivos meteorológicos. Em 1921, ele foi designado o Diretor do Laboratório de Física no Instituto de Tecnologia da Califórnia, Pasadena,; ele também foi Presidente do Conselho Executivo daquele instituto. Em 1946 ele se aposentou deste posto. Millikan foi Presidente da Sociedade Física americana, Vice-presidente da Associação americana para o Avanço de Ciência, e foi o sócio americano do Comitê em Cooperação Intelectual da Liga de Nações, e o representante americano ao Congresso Internacional de Físicas, conhecido como o Congresso de Solvay, em Bruxelas em 1921. Ele obteve os graus de doutor honorário de vinte e cinco universidades, e era um sócio ou o sócio honorário de muitas instituições instruídas no país e no estrangeiro. Ele foi o Prêmio de Comstock da Academia Nacional de Ciências, da Medalha de Edison do Instituto americano de Engenheiros Elétricos, da Hughes Medal da Sociedade Real de Grã Bretanha, e do Prêmio de Nobel para Físicas 1923. Ele também foi feito o Chefe da Leg recebeu a Ordem chinesa de Jade. Millikan era um jogador de tênis entusi golfe também era um das recreações dele. Millikan Greta Erwin Blanchard casado em 1902; eles tiveram três filhos Allen, e Max Franklin. Ele morreu nos 19º Marino, a Califórnia. Vários destes detectores Geiger-Müller (GM) foram construídos em 1939 no laboratório de física do Caltech para uso em estudos de raios cósmicos. O exemplo acima pos adas e é feito de cobre. A etiqueta de papel identifica três datas: 2 de agosto de 1947; 25 de janeiro de 1948; e 8 de julho de 1950. A data 1947 se refere para viajar de balão vôos executados a latitudes diferentes do Texas para Saskatoon. Um vôo típico levaria os instrumentos para 70,000 a 80,000 pés. A data de 1948 data se refere a experiências executadas em um B-29 Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 30 para Lima, Peru. Robert Millikan e Neher estavam entre o pessoal neste vôo. Robert Millikan (1868-1950) era o Cientista de América mais famoso dos anos vinte, e o segundo americano receber o Prêmio Nobel em física. O posterior foi premiado para as medidas da carga do elétron (pelo Millikan, conhecido " experiência " da gota) e por confirmar as equações de Einstein experimentalmente para o efeito fotoelétrico. Em 1921, Millikan deixou a Universidade de Chicago para encabeçar o Instituto de Califórnia de Tecnologia em Pasadena, recentemente criado. No CalTech, ele serviu também como Diretor do Departamento de Física. A pesquisa dele enfocou a natureza e origem de raios cósmicos - Millikan cunhou o termo "raio" cósmico. Estas investigações ajudadas demonstram a fonte extraterrestre desta radiação e sua variação em intensidade com latitude. Doado pelo Instituto de Califórnia de cortesia de Tecnologia de Broto Cowan. Exemplos Exemplo 1 – Uma carga positiva Q é distribuída uniformemente ao longo de uma semi-circunferência de raio a. Obtenha o campo elétrico no centro de curvatura P.O campo elétrico da metade da esquerda da semicircunferência na direção x anula o campo elétrico da metade do lado direito. O componente y restante aponta para o sentido negativo do eixo y. A carga por unidade de comprimento da semicircunferência é: 2e Q k dl k ddE a a a λ λ θλ π = = = senporém sen .y k ddE dE a λ θ θθ= = Portanto, / 2 / 2 00 2 2sen [ cos ]y k kE d a a π πλ λθ θ θ= = −∫ / 2 0 2 2 2[ cos ] ,y k kE a a π 2kQ a λ λθ π = − = = Orientado de cima para baixo. Exemplo 2 – Uma carga elétrica Q é distribuída uniformemente ao longo dos quatro lados de um quadrado. Dois lados adjacentes possuem a mesma carga +Q distribuída ao longo desses lados. (a) Supondo que os outros dois lados possuam a mesma carga –Q distribuída, determine os componentes x e y do campo elétrico resultante no centro do quadrado. O quadrado tem lado a. (b) Repita o cálculo supondo que os quatro lados possuam a mesma carga Q distribuída. (a) Ex = Ey, e Ex = 2Ecomprim. do fio α, carga Q = 2 onde, 4 12 22 0 ax axx Q = +πε 2 2 0 0 2 , 5 / 4 5x Q QE a aπε πε ⇒ = = 2 0 2ˆ ˆsentido , ,sentido . 5y Qi E j aπε − = − (b) Supondo que todos os lados do quadrado possuem a mesma carga, por simetria concluímos que os campos elétricos fornecem uma resultante igual a zero no centro do quadrado. Exemplo 3 – (a) Determine a carga total sobre a coroa anular da figura, sabendo que esta possui uma densidade superficial de carga σ. Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 31 (b) Se a coroa anular está sobre o plano yz, determine sobre o eixo Ox o campo elétrico E. (c) Mostre que, para pontos sobre o eixo Ox suficientemente próximos da origem, o módulo do campo elétrico é aproximadamente proporcional à distância entre o centro da coroa e o ponto considerado. (d) Uma partícula puntiforme de carga –q e massa m pode-se mover sobre o eixo Ox e é colocada sobre o ponto x = 0,01R1 e a seguir liberada. Determine a freqüência de oscilações da partícula. (a) Q = Aσ = π σ)( 21 2 2 RR − (b) Lembre que o campo elétrico de um disco, Eq. (22-11), é dado por: [ ]( ).1)/(/11 2 2 0 +−= xRE ε σ Portanto, ( )2 22 1 0 ˆ( ) 1 1/ ( / ) 1 1 1/ ( / ) 1 2 x E x R x R x i x σ ε ⎡ ⎤ ⎡= − + − − +⎣ ⎦ ⎣ ⎤ ⎦ ( )2 22 1 0 ˆ( ) 1/ ( / ) 1 1/ ( / ) 1 . 2 x E x x R x R x i x σ ε − = ⇔ + − + c) Note que ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅⋅+−≈==+ − 2 )/(1)/(11)/(/1 2 1 1 2/12 1 1 2 1 Rx R xRx R xxR 0 1 2 ˆ( ) 2 x x xE x i R R x σ ε ⎛ ⎞ ⇒ = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 2 0 1 1 1 ˆ( ) , 2 xE x i R R x σ ε ⎛ ⎞ ⇒ = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ e considerar pontos suficientemente próximos significa que (x/R1)2 << 1. d) 0 1 2 1 1( ) 2 qF qE x x mx R R σ ε ⎛ ⎞ = = − − =⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 0 1 2 1 1 2 2 2 qf m R R ω σ π π ε ⎛ ⎞ = = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 1 Exemplo 4 – (a) Determine o campo elétrico produzido por uma linha carregada com densidade linear de carga uniforme ρL e comprimento a no ponto P(x,y,z). (b) Faça o limite em que a tende a infinito e calcule o campo elétrico de uma linha infinita. z P(x,y,z) r r′ y x Fazendo a distribuição de cargas: 2 2 a a L Q z a ρ = ⇔ − ≤ ≤ + O Campo elétrico é dado por: rr rr rr QrE ′− ′− ′− ∆ =∆ 2 04 )( πε 2 0 ( ) 4 Ldz r rdE r r rr r ρ πε ′ ′− = ′−′− ˆ ˆx y zr xa ya za= + + ˆzr z a′ ′= Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 32 r r xa ya z z a′ ′− = + + −( )ˆ ˆx y z ( )22 2r r x y z z′ ′− = + + − ( )3 0 ( ) 4 LdE r r r dz r r ρ πε ′ ′= − ′− ( ) ( )3 22 2 0 ˆ ˆ( ) 4 L x y zdE r xa ya z z a dz x y z z ρ πε ′ ′⎡ ⎤= + +⎣ ⎦ ′+ + − − ( ) ( ) 2 2 3 22 2 0 ˆ ˆ( ) 4 a a L x y zE r xa ya z z a dz x y z z ρ πε + − ′ ′⎡ ⎤= +⎣ ⎦ ′+ + − ∫ ( ) + − 2 2 3 22 2 0 ˆ( ) 4 a a L x y dzE r x x y z z ρ πε + − ′ ⎡ ⎤= +⎣ ⎦ ′+ + − ∫ ( ) ( ) a ya 2 2 3 22 2 0 ˆ 4 a a L z z z dz a x y z z ρ πε + − ′ ′− + ′+ + − ∫ {1} ( ) ( )( ) 2 2 2 2 3 322 2 22 2 2 a a dz dz x y z zx y z z + + − − ′ ′ = ′+ + −′+ + − ∫ ∫ a a ( ) 2 2 3 2 3 222 2 2 2 1 1 a a dz x y z z x y + − ′ = ⎛ ⎞+ ⎛ ⎞′−⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎠⎝ ⎠ ∫ Chamando de: ⎝ 2 2 z ztg x y θ ′− = + 2 2z z tg x yθ′ = − + 2 2secdz d x yθ θ′ = − + 2 ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 3 3 2 3 22 2 222 2 sec1 1 a a a a d x ydz x y tgx y z z θ θ θ + + − − ′ − + = + +′+ + − ∫ ∫ ( ) 2 ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 3 3 22 2 222 2 sec sec a a a a x ydz d x yx y z z 3 2 θ θ θ + + − − ′ + − = +′+ + − ∫ ∫ ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 1 22 2 2 3 3 2 32 222 2 sec sec a a a a x ydz d x yx y z z θ θ θ + + − − +′ =− +′+ + − ∫ ∫ ( ) 2 2 2 3 2 2 22 2 1 sec a a a dz d x yx y z z 2 a θ θ + − − ′ =− +′+ + − ∫ ∫ ( ) 2 2 2 2 3 2 2 22 2 1 cos a a a a dz d x yx y z z θ θ + + − − ′ =− +′+ + − ∫ ∫ ( ) ] 2 2 2 2 3 2 2 22 2 1 a ax axa dz sen x yx y z z θ θ θ = =− + − ′ =− +′+ + − ∫ 2 2 2 2 1cos 1 1 sec sen senθ θ θ θ + = ⇔ + = 2 2 11 sec sen θ θ = − 2 2 11 1 sen tg θ θ = − + 2 2 2 1 1 1 tgsen tg θθ θ + − = + 2 2 2 1 tgsen tg θθ θ = + 2 1 tgsen tg θθ θ = + 2 2 2 2 2 1 z z x y sen z z x y θ ′− + = ⎛ ⎞′−⎜ ⎟ + ⎜ ⎟+⎝ ⎠ ( ) 2 2 22 2 2 2 z z x y sen x y z z x y θ ′− + = ′+ + − + ( )22 2 z zsen x y z z θ ′− = ′+ + − + ( ) ( ) 2 2 2 2 3 2 2 22 222 2 1 a a a a z z dz z z x y x y z zx y z z + ′=+ − ′=− ′ ′− =− + ′+ + −′+ + − ∫ ( ) ( ) 2 2 2 3 2 2 22 222 2 2 1 a a a a zdz x y x y zx y z z + − ⎡′ −⎢=− ⎢+ + + −′+ + − ⎣ ∫ ( ) 2 22 2 2 az ⎤+ ax y z ⎥− ⎥+ + + ⎦ {a} A outra integral será: Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 33 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 3 22 222 2 1 a a a a z z z z dz x y z zx y z z ′=+ + − ′=− ⎤′ ′− =− ′+ + −′+ + − ⎦ ∫ ⎥⎥ ( ) ( )2 22 2 2 22 2 1 1 a ax y z x y z ⎡ ⎤ ⎢ ⎥=− − ⎢ ⎥+ + − + + +⎣ ⎦ {b} Substituindo {a} e {b} em {1}: ( ) ( ) 2 2 2 2 2 22 2 2 20 2 2⎣ ⎦ 1ˆ( ) 4 a a L x y a a z zE r xa ya x y x y z x y z ρ πε ⎡ ⎤− +⎢ ⎥⎡ ⎤=− + −⎣ ⎦ ⎢ ⎥+ + + − + + + ( ) ( )2 22 2 2 2 02 2 1 1 ˆ 4 L z a a a x y z x y z ρ πε ⎥− ⎢ ⎥+ + − + + +⎣ ⎦ Podemos transf rmar para coordenadas cilíndricas: ⎡ ⎤ ⎢− o 2 2 cos x y x y sen ρ ρ φ ρ φ ⎧ = + ⎪⎪ =⎨ ⎪ =⎪⎩ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = +−= += zz yx yx aa asenaa senaaa ˆˆ cosˆˆˆ ˆcosˆˆ φφ φφ φ ρ ⎪ ⎩ ⎪ ⎧ ⎨ = += −= zz y x aa asenaa senaaa ˆˆ cosˆˆˆ ˆcosˆˆ φφ φφ φρ φρ ( ) ( ) 2 2 2 2 22 20 2 2 1ˆ( ) cos 4 a a L x y a a z zE r a senρ a z z ρ ρ φ φ πε ρ ρ ρ ⎡ ⎤− +⎢ ⎥⎡ ⎤=− + −⎣ ⎦ ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ ( ) ( )2 22 2 02 2 1 1 ˆ 4 L z a a a z z ρ περ ρ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥− − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ ( ) ( ) 2 2 2 2 22 20 2 2 ˆ( ) cos 4 a a L a a z zE r a sen a z z ρ ρ φ φ πε ρ ρ ρ ⎡ ⎤− +⎢ ⎥⎡ ⎤=− + − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ x y⎣ ⎦ ( ) ( )2 22 2 02 2 1 1 ˆ 4 L z a a a z z ρ περ ρ ⎡ ⎢− − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ ( ) ( ) 2 2 2 22 20 2 2 ( ) 4 a az zρL a a E r a z z ρπε ρ ρ ρ ⎡ ⎤− +⎢ ⎥=− − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ ( ) ( )2 22 2 02 2 1 1 ˆza4 L a az z ρ περ ρ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥− − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ Limite de um fio infinito: Se imaginarmos que o fio é muito comprido: ( ) ( ) 2 2 2 22 20 2 2 ( ) lim 4 a a L a a a z zE r a z z ρ ρ πε ρ ρ ρ→∞ ⎡ ⎤− +⎢ ⎥=− − ⎢ ⎥+ − ++⎣⎦ ( ) ( )2 22 2 02 2 ˆ 4 1 1lim L za ρ a a a z z περ ρ→∞ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥− − ⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦ ⎤ ⎥ [ ] 0 ( ) 1 1 4 LE r aρ ρ πε ρ =− − − [ ] 0 ˆ0 4 0 zaL ρ πε − − 0 2( ) L 4 E r aρ ρ πε ρ − =− 0 ( ) 2 LE r aρ ρ πε ρ = Exemplo 5 – (a) Determine o campo elétrico roduzido por um plano quadrado de lado a carregada tende a infinito e o campo elétrico de um plano infinito. P(x,y,z) a/2 y x do a distribuição de cargas: p com densidade superficial de carga uniforme ρS e comprimento a no ponto P(x,y,z). (b) Faça o limite em que a calcule z r r′ a/2 (a) Fazen Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 34 2 2 2 2 a a S a a yQ xA ρ − ≤ ≤ +⎧ = ⇔ ⎨− ≤ ≤ +⎩ O Campo elétrico é dado por: rr rr rr QrE ′− ′− ′− ∆ =∆ 2 04 )( πε ( )3 0 ( ) 4 S dx dydE r r r r r ρ πε ′ ′ ′= − ′− zˆ ˆx yr xa ya za= + + ˆ ˆx yr x a y a′ ′ ′= + ( ) ( ) ˆ ˆx yr r x x a y y a za′ ′ ′− = − + − + z ( ) ( )2 2 2r r x x y y z′ ′ ′− = − + − + ( )3 0 ( ) 4 SdE r r r dx dy r r ρ πε ′ ′= − ′− ′ ( ) ( ) ( ) ( )( )3 22 2 20 ˆ ˆ ( ) 4 x y zS x x a y y a za dE r dx dy x x y y z ρ πε ′ ′⎡ ⎤− + − +⎣ ⎦ ′ ′= ′ ′− + − + ( ) ( ) ( )( ) 2 2 2 2 3 22 2 20 ( ) 4 a a a a S x x x dx dy E r a x x y y z ρ πε + + − − ⎡ ′ ′ ′−⎢= +⎢ ′ ′− + − +⎢⎣ ∫ ∫ ( ) ( ) ( )( ) 2 2 2 2 3 22 2 2 ˆ a a a a y y y dx dy a x x y y z + + − − ′ ′ ′− + ′ ′− + − + ∫ ∫ )( ) ( )( 2 2 2 2 3 22 2 2 ˆ a a a a z zdx dy a x x y y z + + − − ⎤ ′ ′ ⎥ ⎥ ′ ′− + − + ⎥⎦ ∫ ∫ ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 20 1( ) 4 a a a a x S x x E r dy a x x y y z ρ πε ′=+ + − ′=− ⎡ ⎡ ⎤⎢ ⎢ ⎥ ′= +⎢ ⎢ ⎥′ ′− + − +⎢ ⎣ ⎦⎣ ∫ ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 20 1 4 a a a a y S y y dx a x x y y z ρ πε ′=+ + − ′=− ⎡ ⎡ ⎤⎢ ⎢ ⎥ ′ +⎢ ⎢ ⎥′ ′− + − +⎢ ⎣ ⎦⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 22 204 a a a a x S z x z x x dy a y y z x x y y z ρ πε ′=+ + − ′=− ⎡ ⎡ ⎤⎢ ′−⎢ ⎥ ′⎢ ⎢ ⎥⎡ ⎤′ ′ ′⎢ − + − + − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦⎢⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 22 20 2 2 1 1( ) 4 a a S x a a E r d x y y z x y y z ρ πε + − ⎡ ⎛ ⎞ ⎢ ⎜ ⎟ y a′= − +⎢ ⎜ ⎟′ ′− + − + + + − +⎢ ⎝ ⎠⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 22 20 2 2 1 1 4 a a S y a a dx a x x y z x x y z ρ πε + − ⎡ ⎛ ⎞ ⎢ ⎜ ⎟ ′− +⎢ ⎜ ⎟′ ′− + − + − + + +⎢ ⎝ ⎠⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 22 2 2 0 2 22 22 2 2 4 a a a a S za a z x y y z x y y z dy a z x y y z x y y z ρ πε + − ⎡ ⎡ ⎤− −⎢ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤′ ′⎢ − + − + − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎢ ⎥ ′ ⎢ ⎢ ⎥+ ⎢ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤′ ′⎢ − + + + − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 22 22 22 2 2 2 0 ( ) ln ln 4 a a s y S a a x y E r y y x y y z y y x y y z aρ πε ′=+ ′=− ⎧ ⎫− ⎪ ⎪⎡ ⎤ ⎡′ ′ ′ ′ ⎤= − + + + − + − − + − + − + +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎦ ⎣⎪ ⎪⎩ ⎭⎥⎦ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 a 2 22 22 2 2 2 0 ln ln 4 ax S a a y x x x y x x z x x y x x z aρ πε ′=+ ′ ⎧ ⎫⎪ ⎪⎡ ⎤ ⎡ ⎤′ ′ ′ =− − + − + − + − − + + + − + +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎪ ⎪⎩ ⎭ − ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 22 2 2 0 2 22 22 2 2 4 a a a a S za a z x y y z x y y z dy a z x y y z x y y z ρ πε + − ⎡ ⎡ ⎤− −⎢ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤′ ′⎢ − + − + − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎢ ⎥ ′ ⎢ ⎢ ⎥+ ⎢ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤′ ′⎢ − + + + − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦⎣ ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 22 2 2 2 2 2 20 2 ( ) ln 4 a a s y a S x a y y y x y y z E r a y y x y y z ρ πε ′=+ ′=− ⎧ ⎫⎡ ⎤′ ′− + + + − +− ⎪ ⎪⎢ ⎥= +⎨ ⎬⎢ ⎥′ ′⎪ ⎪− + − + − +⎣ ⎦⎩ ⎭ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 20 2 ln 4 a a x a S y a x x x y x x z a x x y x x z ρ πε ′=+ ′=− ⎧ ⎫⎡ ⎤′− + + + − +− ⎪ ⎪⎢ ⎥ +⎨ ⎬⎢ ⎥′ ′⎪ ⎪− + − + − +⎣ ⎦⎩ ⎭ ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 22 22 20 2 2 4 a a a a y y a a S z a a y y x y y x y y Arctg Arctg a z x y y z z x y y z ρ πε ′ ′=+ =+ ′ ′=− =− ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡′ ′− − + − ⎤⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢− ⎥⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢′ ′ ⎥⎪ ⎪− + − + + + − +⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 20 2 2 2 2 2 2 ( ) ln ln 4 a a a a a a S x a a a a a a y x y z y x y z E r a y x y z y x y z ρ πε ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡− + + + − + + + + + + +− ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎤ ⎥= − +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢⎪ ⎪− + − + − + + + − + + +⎣ ⎦ ⎣⎩ ⎭ ⎥ ⎦ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 20 2 2 ln 4 a a a a a a y a a a a a a y x z x y x z a x yπε ⎤ ⎡ ⎤+ + + − + + + + + + +⎥ ⎢ ⎥ 2 2 2 2 lnS x x z x y x z ρ ⎧ ⎫⎡ −− ⎪ ⎪⎢ − +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪+ − + + + − + + +⎦ ⎣ ⎦− + −⎣⎩ ⎭ ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 4 a a a a a a a a S 2 z a a a a a a a a x y x y Arctg Arctg z x y z z x y z a x y x y Arctg Arctg z x y z z x z ρ πε y ⎧ ⎫⎡ ⎤− − − +⎡ ⎤⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥− + − + − + + +⎪ ⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎨ ⎬ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎪ ⎪+ − + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪− + ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪+ + − + + + + +⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 20 2 2 2 2 2 2 ( ) ln ln 4 a a a a a a S x a a a a a a y x y z y x y z E r a y x y z y x y z ρ πε ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡− + + + − + + + + + + +− ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎤ ⎥= − +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎦⎪ ⎪− + − + − + + + − + + +⎣ ⎦ ⎣⎩ ⎭ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 20 2 2 2 2 2 2 ln ln 4 a a a a a a S y a a a a a a x y x z x y x z a x y x z x y x z ρ πε ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡− + + + − + + + + + + +− ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢− +⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎢⎪ ⎪− + − + − + + + − + + +⎣ ⎦ ⎣⎩ ⎭ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 4 a a a a a a a a S z a a a a a a a a x y x y Arctg Arctg z x y z z x y z a x y x y Arctg Arctg z x y z z x y z ρ πε ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡ ⎤− − − +⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥− + − + − + ++⎪ ⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎨ ⎬ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎪ ⎪+ − + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪− + ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪+ + − + + + + +⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭ Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 35 (b) Observando que quando o valor de a tende a infinito: 2 2 0 2 2 2 2 2 2lim ( ) ln ln 4 2 2 2 2 a a S xa a a a a E r a a a ρ πε→∞ ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡ ⎤ − + +⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥− ⎪ ⎪= −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎨ ⎬ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪− + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭ + 2 2 0 2 2 2 2 2 2ln ln 4 2 2 a a S y a a a a a a a ρ πε ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡ ⎤ − + +⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥− ⎪ ⎪ 2 2 − +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎨ ⎬ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭ − + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪ 2 2 2 2 2 2 2 20 2 2 2 2 4 4 4 2 4 2 4 4 4 2 4 2 4 S z a aArctg Arctg z a z z a z aρ ⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎪ ⎪−⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎪ ⎪⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ +⎪ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎪ a aArctg Arctg z a z z a z πε ⎨ ⎬⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎪ ⎪− − +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎩ ⎭⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ + [ ] [ ]{ } 0 lim ( ) ln 1 ln 1 4 S xa E r aρ πε→∞ − = − + [ ] [ ]{ } 0 ln 1 ln 1 4 S ya ρ πε − − + 2 2 2 0 44 4 2 4 S z aArctg a z a z ρ πε ⎪ ⎪⎧ ⎫⎡ ⎤⎢ ⎥⎨ ⎬ ⎢ ⎥+⎪ ⎪⎣ ⎦⎩ ⎭ 2 0 4lim ( ) 4 4 2 2 S za aE r Arctg a z a ρ πε→∞ ⎧ ⎫⎡ ⎤⎪ ⎪= ⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎪ ⎪⎣ ⎦⎩ ⎭ 0 2lim ( ) 4S 4 4 za zπε→∞ aE r Arctg aρ ⎧ ⎫⎡ ⎤⎪ ⎪= ⎨ ⎬⎢ ⎥ ⎪ ⎪⎣ ⎦⎩ ⎭ Fazendo a expansão por séries de potências para a função arco-tangente, t remos: e 3 3 0 2 2 16 2lim ( ) 4 4 2 3 S za z zE r a a a ρ π πε→∞ ⎧ ⎫⎛⎪ ⎪= − + −⎜ ⎟⎨ ⎬⎜⎪ ⎪⎝⎩ ⎭ ⎞ ⎟ ⎠ Considerando apenas o primeiro termo: 0 lim ( ) 4 4 2 S za E r aρ π πε→∞ ⎧ ⎫⎛ ⎞= ⎨ ⎬⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎩ ⎭ 0 lim ( ) 2 S za E r aρ ε→∞ = 0 ( ) 2 S zE r a ρ ε = Veja que é o mesmo resultado que chegamos nteriormente: a N S aE ˆ 2 0ε ρ = Então, para um plano infinito carregado, teremos:Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 14 . Quatro cargas positivas de 10 nC estão local um ponto distante 8 cm de cada uma das o força total nesta quint 2. a carga Q=0.1 localizada na origem do es pone uma terceira carga positiva é zero. 3. Quatro cargas pontuais de 50 nC cada estão local e a carga mC localizada em P1(2, 5, 8). nquanto Q2. = -5mC localizada em P2(6, 15, 8). Consi ) Encontre as coordenadas de P3, se a carga Q3, exper enta uma força total F3 = 0 em P3. 5.. Seja a carga pontual Q = 25 nC localizada em P1 (4, em P2(-3, 4,- 2). (a) Se e = e0., determine E em P(1, 2, 3). (b) Em que ponto do eixo y Ex = 0? de 120 nC estão localizadas em A(0,0,l) e B(0, 0, -1) no espaço livre, ) Determine E em P(0.5, 0, 0). b) Qual carga na origem forneceria um campo de mesm ódulo? r f z Solução: o d por: . Quatro cargas positivas de 10 nC estão local um ponto distante 8 cm de cada uma das o força total nesta quint 2. Uma carga Q=0.1m localizada na origem do es ponente x da força em uma terceira carga positiva é zero. 3. Quatro cargas pontuais de 50 nC cada estão local e a carga mC localizada em P1(2, 5, 8). nquanto Q2. = -5mC localizada em P2(6, 15, 8). Consi ) Encontre as coordenadas de P3, se a carga Q3, exper enta uma força total F3 = 0 em P3. 5.. Seja a carga pontual Q = 25 nC localizada em P1 (4, em P2(-3, 4,- 2). (a) Se e = e0., determine E em P(1, 2, 3). (b) Em que ponto do eixo y Ex = 0? de 120 nC estão localizadas em A(0,0,l) e B(0, 0, -1) no espaço livre, ) Determine E em P(0.5, 0, 0). b) Qual carga na origem forneceria um campo de mesm ódulo? r f z Solução: o d por: Exercícios: Willian H. Hayt, Jr.; John A. Buck, pg. 30 Exercícios: Willian H. Hayt, Jr.; John A. Buck, pg. 30 11 izadas no plano z = 0 nos vértices de um quadrado de 8 cm de lado. Lima quinta carga positiva de 10 nC está localizada em izadas no plano z = 0 nos vértices de um quadrado de 8 cm de lado. Lima quinta carga positiva de 10 nC está localizada em utras cargas. Calcule o módulo dautras cargas. Calcule o módulo da a carga para e = e0. a carga para e = e Um mC esta paço livre, enquanto Q = 0.2mC está em A(0.8, 0.6, 0). Determine o lugar dos pontos no plano z = 0 em que a com paço livre, enquanto Q = 0.2mC está em A(0.8, 0.6, 0). Determine o lugar dos pontos no plano z = 0 em que a com nte x da força em izadas cm A( l, 0, 0). B(- l, 0, 0), C(0, l, 0) e D(0, - 1, 0) no espaço livre. Determine a força total sobr izadas cm A( l, 0, 0). B(- l, 0, 0), C(0, l, 0) e D(0, - 1, 0) no espaço livre. Determine a força total sobr em A. em A. 4. Seja Q1 = 8 4. Seja Q ee dere e = e0. (a) Determine F2 a força sobre Q. (b dere e = e imim 1 -2, 7) e a carga Q2;= 60 nC localizada-2, 7) e a carga Q 6. Duas cargas pontuais 6. Duas cargas pontuais (a ( (a ( o mo m 7. Uma carga pontual de 2mC está localizada em A(4, 3, 5) no espaço livre. Determine E , E e E em P(8, 12, 2) 7. Uma carga pontual de 2mC está localizada em A(4, 3, 5) no espaço livre. Determine E , E e E em P(8, 12, 2). . Campo elétrico n ponto é da oCampo elétrico n ponto é da o 0. C esta 1 = 8 0. (a) Determine F2 a força sobre Q. (b 1 2;= 60 nC localizada APAP rr04 ε APr 2 m aaar ˆ5ˆ3ˆ4 ++= PE π = Q E coordenadas cartesianas: zyxA zyxP aaar ˆ2ˆ12ˆ8 ++= As relações entre os r versores das coordenadas cilíndricas pola es: e as cartesianas são obtid com o auxílio da figura: f r f Da figura, então vemos que: as φâ yâ ρâ xâ φφ φρ senaaax ˆcosˆˆ −= φφ φρ cosˆˆˆ asenaay += zz aa ˆˆ = aaarrr ˆ3ˆ9ˆ4 zyxAPAP −+=−= 106)3(94 222 =−++=−= APAP rrr Como: x yarctg=φ 22 yx +=ρ 087,36643,0 4 3 === radarctgAφ 031,56983,0 8 12 === arctgPφ rad C N AP P r QE 81,169 106 36 104 102 4 9 6 2 0 == ⋅ = − − π ππε Em coordenadas cartesianas: AP AP P rrr E AP rrQ − = 24πε − 0 zyx APAP rrr 106106106− APAP aaa rrr ˆ3ˆ9ˆ4 −+= − = zyxP aaE 81,1693ˆ 106 81,1699ˆ 106 81,1694 ⋅ − ⋅ + ⋅ â 106 = PE = zyx aaa ˆ480,49ˆ441,148ˆ974,65 −+ Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 15 Substituindo: φφ φρ senaaax ˆcosˆˆ −= φφ φρ cosây + ˆˆ senaa = ( ( ) zaasen asen ) ˆ480,49ˆcos44,148974,65 ˆ441,148cos974,65 −+− += φ ρ φφ φφ das ˆˆ +φφρρ E + Para acharmos o campo em coordena cilíndricas: zzaEaEaEE ˆ += recisamos então descobrir o ângulo f. Para isso observe figura a seguir: rvando o paralelogramo no plano xy formado pelas projeções dos vetores P a Obse PA rr , e APr no plano xy,: ( )APP φφφφ −+= z ) asen ˆ75,75441,14875,75cos974,65 00+ + ρ y f fA fP x ( ) 075,7587,3631,5631,56 =−+=φ Substituindo em: ( )asenE ˆ441,148cos974,65 += ρφφ ( ) zaasen ˆ480,49ˆcos44,148974,65 −+−+ φφφ ( )E 00= ( zaasen ˆ480,49ˆ75,75cos44,14875,75974,65 −+− φ ( ) ( ) zaaaE ˆ480,49ˆ839,36944,63ˆ8736,1432397,16 −+−++= φρ zaaaE ˆ01,27ˆ11,160 −−= φρ ˆ48,49 8. Dadas duas cargas pontuais de -lmC em P (0, 0, -0.5 e e = e . nC está localizada em A( - ontos P(x, y, z.) no qual 500 V/m. (b) Determine y1, se P(-2, y1, 3) pertencer a este lugar. em (3, 0, 0) e (-3, = e . a) Determine |E| em P(0, y,0). e |E| vs. y em P. 11. Uma carga Q0, localizada na origem no /m no (a) Determine Q0. Determine E em M( l, 6, 5) m: (b) coordenadas cartesianas: (c) coordenadas cilíndricas: (d) coordenadas esféricas. 12. A densidade volumétrica de carga 1 ) e P2(0, 0, -0.5), e uma carga de 2mC na origem, determine E em P(0, 2, l) em componentes esféricas. Consider 0 9. Uma carga pontual de 100 1, 1, 3) no espaço livre: (a) Encontre o lugar dos p E = 10. Duas cargas de 20 e -20 nC estão localizadas 0, 0), respectivamente. Considere e 0 ( (b) Esboc espaço livre produz um campo no qual Ez=l k V ponto P( -2. l, -1), e zyx v e −−−= 0ρρ existe em todo o espaço li e. Calcule a carga total presente. Solução: vr dvQ V v∫∫∫= ρ Em coordenadas cartesianas: ∫ ∫ ∫ +∞+∞+∞ ∞− ∞− ∞− −−−= xdydzeQ zyx0ρ d ( ) ( ) dzedyedxedxe xx ∫∫∫∫ ∞−∞− +− ∞− −− ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ + 0 0ρ zy +∞ − +∞ − +∞ ⎞⎛ = 0 Q dzedyeeeQ zyxx ∫ +∞ − +∞ −∞+− ⎟⎞⎜⎛ −+= 0 0ρ ∫ ∞−∞− ∞− ⎠⎝ 0 ( ) dzedyeeeQ zy +∞ − +∞ −−+−= 000 0ρ ∫∫ ∞−∞− −− (0 dzedyeQ zy ∫∫ +∞ ∞− − ∞− = 02ρ Como as outras integrais são idênticas: +∞ − 2.2.2 0ρ=Q 08ρ=Q 13 Uma densidade volumétrica uniforme de arga de 0.2 mC/m3 está presente através de um r = 3 cm até r = 5 cm. Se rv = 0 em ualquer outra parte, determine: (a) a carga total presente dentro da casca e (b) r1, se metade da carga está localizada na região 3 cm < r < r1. o: c a casca esférica de q Soluçã Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 16 2 2 2.0 ππ φθθµ dvQ V v∫∫∫= ρ ∫ ∫ ∫ ′′′′′⋅= ππ φ θ φθθµ 2 0 0 05.0 03.0 22.0 ddrdsenrQ r rdrddsenQ ′′′′′= ∫∫∫ 05.0 03.000 ( ) pCrQ 1.82 3 )cos(2,0 05.0 03.0 3 2 00 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ′−= ππ φθµ 14. Seja: ( ) 221,0 10 15 mC z ev µφπρ ρ + −= − na região: ⎪ ≤≤− πφπ e r =0 em qualquer outra ⎪ ⎩ ;az parte. (a) Determine a carga total presente. (b) Calcule a carga dentro da região: ⎨ ⎧ ≤≤ 100 ρ v ⎪ ⎪ ⎨ ≤≤− 22ππ φ ⎩ ⎧ ≤≤− ≤≤ 1010 40 z ρ ume esférico de 2 mm de raio contém uma densidade volumétrica uniforme de carga de 1015C uma grande região conte de lado e que não há dade olum e carga: 15. Um vol /m. (a) Qual a carga total confinada dentro do volume esférico? (b) Considere agora que nha uma dessas pequenas esferas em cada quina de uma grelha cúbica de 3 cm a carga entre as esferas. Qual é a densinenhum v étrica de carga média através desta região? 16. A região na qual 4 < r < 5, O < θ < 25° e 0,9π < f <1,1π conté a densidade volumétrica dm um ( )( ) φθρ 2154 sensenr −1v 0 r −= ão, rv = 0. Determine a carga dentro desta região. z =- 5. Se e P( l, 2. 3) ) determine E no ponto do plano z = 0 onde a direç E é dada por Fora desta regi 17. Uma linha de cargas uniforme de 16 nC/m está localizada ao longo da linha definida por y = -2, . Duas linhas de cargas uniformes de 0,4 m.C/m ocalizadas no plano x = 0 em y - 0,6 e y =0,6 m, respectivamente. Considere e = e0. (x, 0, z). 9. Uma linha de carga uniforme de 2mC/m está localizada no eixo z. Determine E em coordenadas cartesianas em P(1,2,3) se a carga se estende de: z +¶. (b) z = -4 a z = +4. olução: ) 3 2 1 r E x f y = e0: (a) determine E em (b ão do vetor zy aa ˆˆ 3231 − 18. e - 0,4 p-C/m estão l = Determine E em : (a) P (b) Q(2,3,4). 1 (a) z = -¶ a = S (a z Como: ρρπε2 0 ρ aE L ˆ= Observe da figura que: 01 2 435,63=== arctgarctg x yφ 512 2222 =+=+= yxρ Como em coordenadas cilíndricas: φφρ senaaa yx ˆcosˆˆ += 5 1coscos =⇒= φ ρ φ x 5 2 =⇒= φ ρ φ senysen yx aaa ˆˆˆ 5 2 5 1 +=ρ uindo: Substit ρρπε â 2 0 = ρE L (E 2= )21 yx aa ˆˆ52 550 + πε µ ( )aaE ˆˆ 21 += yx 55 0πε µ Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 17 ( )yx aaE ˆˆ10 36 5 2 5 1 9 += −π πµ ( )mkVaaE yx ˆ4,14ˆ2,7 += Solução: (b) z 1 E x y Como: 4 3 2 r f -4 ( )∫ ′−′− = Q rr rr dQrE 3 04 )( πε zyx aaar ˆ3ˆ2ˆ ++= zazr ˆ′=′ ( ) zyx azaarr ˆ3ˆ2ˆ ′−++=′− ( )222 321 zrr −++=′− ( )235 zrr −+=′− Observe que: zddQ L ′= ρ Substituindo na integral, teremos: ( )( ) ( )( ) zda ′ ˆzaa z rE zyxL ′−++ ′−+ = ∫ − 4 4 232 0 3ˆ2ˆ 354 )( πε ρ Separando por componentes, teremos: ( )( ) zd z E Lx ′ ′−+ = ∫ − 4 4 232 0 35 1 4πε ρ 4 4 2 0 146 3 4 = −=− − = z z L zz zE πε ρ 5 + x 33 2 4πε ρL xE = 0 33 2 36 104 102 9 6 π π − −⋅ =xE CNEx 97,48983 26000 ≅= ( )( ) zd z E Ly ′ ′−+ = ∫ − 4 4 232 0 35 1 4 2 πε ρ 33 2 4 2 0πε ρL yE = CNEy 96,97973 212000 ≅= ( ) ( )( ) zd z zE Lz ′ ′−+ ′− = ∫ − 4 4 232 0 35 3 4πε ρ 4 4 2 0 146 1 4 −=+− = z L z zz E πε ρ =z 33 2ρL 4 0πε zE = CNEz 98,48983 6000 ≅= 2 Logo: ( )mkVaarE ˆ899,4ˆ( +ax 798,9ˆ899,4) += zy 120 nC/m dos três ções do es 21. Duas linhas de carga uniformes idênticas com rL = 75 nC/m estão localizadas no espaço livre, em x = 0, y= ≤ 0,4 m. Que força por unidade de comprimento cada linha de cargas exerce sobre a outra? Solução: (a) (1) (2) z dQ’ -0,4 0,4 E 1 r x y 20. Uma linha de cargas uniforme de o está situada ao longo de toda a extensã eixos coordenados. Considerando as condi aço livre, determine E em P(-3, 2, -1). p 1221 QdEFd ′= Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 18 ρρπε ρ aE L ˆ 2 0 2 = yaE ˆ 8,0 36 102 1075 9 9 2 π π − −⋅ = = y2 aE ˆ5,1687 LEFd Lρ221 = 921 1=Fd 1075ˆ5,687 −⋅yaL 921 1075ˆ5,1687 −⋅= yaL Fd mNa L Fd 21 yˆ10265625,1 4−⋅= mNa L Fd 21 y µˆ5625,126 ⋅= rficial de carga niforme de 5nC/m2 está presente na região x=0, -2 < y < A (b) PB(0, 3, 0) 23. Dada uma densidade superficial de carga rS 2 na região r < 0,2 m, z = 0 e rS =0 em qualquer gar, determine E em: (b) PA(r=0, z=-0.5). z y 22. Uma densidade supe u 0 e " z. Se e = e0, determine E em: (a) P (3, 0, 0). = 2mC/m utro luo x rr rr rr dA rEd S ′− ′− ′− = 2 04 )( πε ρ ρρ ar ˆ′=′ zar ˆ5.0−= ρρ aarr z ˆˆ5.0 ′−−=′− 225,0 ρ′+=′− rr O elemento de área da distribuição será expresso em coordenadas cilíndricas: φρρ ′′′=′ dd Ad Assim: ( ) ( )∫∫= πρ2 EA ′′′−− ′+ ρ φρρρ ρπε ρ 0 0 2322 0 ˆˆ5,0 5,04 ddaaz S ( ) ( )∫∫ ′′′−−′+ = πρ ρ φρρρ ρπε ρ2 0 0 2322 0 ˆˆ5,0 5,04 ddaaE z S A 4 9 0 108,1 36 104 2 4 ⋅== − π π µ πε ρ S Como: : φφρ senaaa yx ˆc Como osˆˆ += teremos ao substituir na expressão acima apenas a dependência em : zâ ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ′+ ′′ −⋅= ∫∫ 2,0 0 2322 2 0 4 ˆ 5,0 5,0108,1 zA a ddE ρ ρρφ π zA aE ˆ 15,02108,1 4 ⎥⎢ −−⋅⋅= π 25,0 2,0 0 22 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ′+ =′ =′ ρ ρ ρ ⎡ zA aE ˆ 25,0 1 2,025,0 15,0106,3 222 4 ⎥ ⎥ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + ⋅= π ⎦⎠ ( )[ ]â143047,05,04 − zAE 106,3 ⋅= π mkVaE zA ˆ089,8−= (a) PA(r=0, z=0.5). Analogamente e por questões de simetria, chega-se a: mkVaE zA ˆ089,8= 24. Três densidades de cargas superficiais stão posicionadas no espaço livre como se segue: 20 0 nC/m2 em y = 4 e 40 nC/m2 em z tude de E em: 3, -2); (b) PB(-2, 5, -1); (c) PC(0, 0, 0); 25. Determine E na origem se as seguintes istribuições de carga estão presentes no espaço livre: e nC/m2 em x=-3; -3 =2. Determine a magni (a) PA(4, d Eletromagnetismo I – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori CAPÍTULO II - Campo Elétrico 19 Uma carga pontual de 12 nC, em P(2,0,6). orme de Uma densidade superficial de carga uniforme de em (2,0,6) rL=3nC/m y 2 rS =0,2nC/m2 x • Campo devido à carga puntiforme: Uma densidade linear de carga unif 3nC/m, em x = -2, y = 3. 0,2 nC/m2 x = 2. Solução: 6 z Q -2 θ ρâ E(0) ? 0 3 rr rr rr QrEQ ′− ′− ′− = 2 04 )( πε zx aar ˆ6ˆ2 +=′ zyx aaar ˆ0ˆ0ˆ0 ++= zx aarr ˆ6ˆ2 −−=′− 40)6()2( 22 =−+−=′− rr zx aarr ˆ 40 ˆ 40 −−= ′− rr 62′− ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −− ⋅ = − − zxQ aarE ˆ40 6ˆ 40 2 40 36 104 1012)( 29 9 π π zxQ aarE ˆˆ)( 40 2,16 40 4,5 −−= • Campo devido à dens ade de carga linear: id ρρπε ρ aE LL ˆ2 0 = Observando a figura, escrevemos: ( ) 1332 22 =+−=ρ 13 2cos == ρθ x ; 13 yx asenaa ˆˆcosˆ θθρ −= yx aaa ˆ13 3ˆ 13 2ˆ −=ρ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎛⋅ = −L aE 2103 9 ⎝ − − yx â13 3ˆ 1313 36 102 9 π π 3==
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