Electrostática fisica 11 classe

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Chambe Filipe Zano
 Ailton Raimundo 
 Laquedar Atibo
 Edymauro sousa
 Isildro Dital
 Michael Fonseca 
 Electrostática
 
 Instituto Criança 
 
 
 
 Nampula, 12 de Julho de 2018
	 
 Chambe Zano
 Ailton Raimundo 
 Laquedar Atibo
 Edymauro sousa
 Isildro Dital
 Michael Fonseca
 
 
 
 
 
 
 Electrostática
 
	Trabalho de carácter avaliativo da disciplina de Física, da 11ªb1 Classe, curso diurno, a ser administrado pela professora de nome Rosana Caetano.
 
 
 
 Nampula, 12 de Julho de 2018
Índice 
Introdução	4
Electrostática	5
Lei de Coulomb	5
Campo eléctrico	7
Características das linhas de campo	8
Campo eléctrico resultante da contribuição de várias cargas pontuais	8
Condutor em equilíbrio electrostático	9
Potencial eléctrico	11
Conclusão	12
Bibliografia	13
 
Introdução
Neste presente trabalho, vamos falar da Electrostática, com os seguintes subtemas : Lei de Coulomb; Campo eléctrico e de Potencial elétrico.
O objectivo deste trabalho ciêntifico é de fazer intender as pessoas que forem a ler o trabalho do que significa ou do que se fala exactamente, nos temas acima citados.
Este trabalho foi feito com base no livro de Física- plural editores 11aclasse e com a ajuda da internet.
O trabalho apresenta a seguinte estrutura:
· Capa;
· Contra-capa;
· Índice;
· Introdução;
· Desenvolvimento;
· Conclusão;
· Bibliografia.
Electrostática
Lei de Coulomb
Charles Coulomb (1736-1806), físico francês do século XVIII, dedicou-se ao estudo das interacções entre cargas eléctricas pontuais. Para isso utilizou, uma balança de torção, semelhante à utilizada por Cavendish para medir o valor da constante de gravitação universal.
Nessa balança, uma barra de material leve (b) encontra-se suspensa por um fio fino de prata (f). Numa das extremidades da barra (b) estava colocada uma pequena esfera de medula de sabugueiro (a) envolvida numa fina folha de ouro; na outra extremidade, um contrapeso equilibrava a esfera (a). Esta era electrizada por um contacto com outro corpo electrizado. Ao aproximar da esfera (a) uma outra esfera de medula de sabugueiro, igualmente electrizada, a repulsão mútua provocava uma certa torção no fio de suspensão.
A partir do valor do ângulo de torção, Coulomb, em 1785, conseguiu calcular o valor da força da interacção para diferentes distâncias de aproximação das esferas.
Depois de realizar uma série de experiências, Coulomb concluiu que a intensidade da força eléctrica entre duas pequenas esferas carregadas (consideradas pontuais) era directamente proporcional ao produto dos módulos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
Com base nas suas verificações experimentais, Coulomb estabeleceu a seguinte lei, hoje conhecida por Lei de Coulomb: 
Lei de Coulomb- a intensidade da força de atracção ou de repulsão entre duas cargas eléctricas pontuais é directamente proporcional ao produto dos módulos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
 F = k |q¹ ||q² |
 r²
A constante de proporcionalidade, k designa-se por constante de Coulomb. O seu valor depende do meio onde se encontram as cargas. Não é, portanto, uma constante universal, como acontece com a constante de gravitação universal, G.
No vácuo e no ar, k tem quase o mesmo valor, que é:
 Ko= 8,988 x 109 N m2 C-2
Como a constante de Coulomb, K, depende do meio e este é caracterizado pela sua permitividade eléctrica, ε, verifica-se que:
 K = 1
 4π ε
A permitividade eléctrica, ε, é constante para cada meio. Quanto maior for a permitividade eléctrica de um meio, menor será o valor de k e, consequentemente, menor será a intensidade da força eléctrica entre as duas cargas.
No vácuo, a permitividade eléctrica, εo , é mínima, sendo o seu valor:
 εo =8,854 x 10-12 N-1 m -2 C2
A permitividade elétrica do ar (PTN) é praticamente igual à do vácuo, embora ligeiramente superior:
 εar = 1, 0005 ε0
Medidas experimentais mostram que duas cargas eléctricas pontuais de 1 C, colocadas à distância de 1 m, dentro de água pura, repelem-se com uma força eléctrica de intensidade 80 vezes inferior àquela com que as mesmas cargas se repelem no vácuo. Este resultado leva a concluir que a constante de Coulomb para a água é 80 vezes inferior à constante no vácuo.
 kágua = k
 80
Então, sendo k = 1 tem-se: εágua = 80 ε0 , ou seja, a permitividade eléctrica da água é 80 
 4π ε
vezes superior à do vácuo.
Pode comparar-se facilmente a permitividade eléctrica de um meio, ε, com a permitividade eléctrica do vácuo, ε0, através da permitividade relativa, εr, que se define pelo quociente:
 εr = ε
 ε0
A expressão que traduz a lei de Coulomb pode ser escrita vectorialmente.
Para isso, consideremos o vector e , com a direcção da recta que contém as cargas elétricas consideradas pontuais e o sentido da carga q1, para a carga q2 .
Se as cargas q1 e q2, forem as duas positivas ou negativas é q1 q2 > 0, pelo que o sentido da força F 2,1 vai ser o mesmo do versor e , e o da força F 1,2 vai ser contrário ao desse versor.
Então, será vectorialmente: F1,2 = - k q1q2 e e F 2,1 = k q1q2 e
 r2 r2
Se as duas cagas q1 e q2, tiverem sinal contrário, é q1 q2 < 0, pelo que o sentido da força F2,1 vai ser contrário ao do versor e , e a força F1,2 vai ter o sentido de e r .
· Se q1 q2 > 0, as forças eléctricas são repulsivas.
· Se q1 q2 < 0, as forças eléctricas são atractivas.
Campo eléctrico
O conceito de campo é muito útil para descrever interações á distância.
Diz-se que uma carga eléctrica , Q, cria à sua volta um campo eléctrico , E , se colocar-mos no espaço à sua volta uma outra partícula com carga eléctrica q(carga de prova), ficando esta sujeita a uma força eléctrica, F , que é dada pela Leide Coulomb:
 F = k Q q er
 r2
Onde e , é o versor com a direcção da recta que contém as cargas eléctricas pontuais e sentido da carga Q para a carga q.
A força eléctrica depende, portanto, da carga q da partícula colocada no ponto P(carga de prova).
Para caracterizar a acção eléctrica da carga Q, independentemente da carga q da partícula de prova, define-se campo eléctrico, E, como sendo:
 E = F
 q
O campo eléctrico, E , num ponto P, é, por definição, a força eléctrica que actua por unidade de carga de prova positiva, q, colocada nesse ponto, à distância r da carga criadora, Qc .
A unidade SI de campo eléctrico é o newton por coulomb, N C-1 , ou o volt por metro, V m-1.
Atendendo à Lei de Coulomb, o campo elétrico, E , criado por uma carga pontual , Qc , também pode ser dado pela expressão:
 E = k Qc er
 r2
Esta expressão mostra que o campo eléctrico criado pela carga pontual Qc :
· É directamente proporcional à carga criadora;
· É inversamente proporcional ao quadrado da distância desta ao ponto onde se define o campo;
· Apresenta simetria esférica, isto é, tem a mesma intensidade a igual distância da carga criadora do campo;
· É centrífugo, se a carga criadora do campo for positiva (Qc > 0) e centrípeto, se a carga criadora do campo for negativa (Qc < 0).
O campo eléctrico criado por uma carga pontual é o campo radial, centrífugo ( se Qc >0) ou centrípeto (se Qc < 0).
O campo eléctrico, tal como o campo gravítico, pode ser representado por linhas de campo.
Características das linhas de campo
· As linhas de campo são sempre tangentes ao campo eléctrico E e indicam a direcção e o sentido do campo.
· As linhas de campo adensam-se nas zonas onde o campo é mais intenso.
· As linhas do campo nunca se cruzam.
Campo eléctrico resultante da contribuição de várias cargas pontuais
Verifica-se experimentalmente que o campo eléctrico, E , criado por várias cargas pontuais, Qc1, Qc2…,Qcn, é igual à soma vectorial dos campos eléctricos E1 , E2,…, En, criados, num ponto P, por essas cargas, ou seja:
 E = E1 + E2 + … + En
Este é o principio da sobreposição do campo eléctrico.
Existem três cargas eléctricas pontuais nomeadamente:
· Positivas e de módulos iguais
· De módulos iguais e sinais contrários- dipolo eléctrico
· De módulos diferentes e sinais contrários.
 
Condutor em equilíbrio electrostático
Quando um condutor é electrizado, por exemplo, negativamente, os electrões em excesso, como se repelem, vão espalhar-se à superfície do condutor, de modo a ficarem o mais afastados possível uns dos outros. Esta distribuição de cargas faz-se rapidamente e, logo que cessa o movimento de cargas, o condutor fica em equilíbrio electrostático.
Um condutor encontra-se, portanto, em equilíbrio electrostático se não existir um movimento orientado de cargas eléctricas.
Como sabemos, nos condutores metálicos, alguns dos electrões estão debilmente ligados aos núcleos atómicos e podem movimentar-se com alguma facilidade no interior do sólido – são os electrões de condução ou electrões livres.
Num condutor em equilíbrio electrostático, a carga eléctrica distribui-se a superfície do condutor.
Um condutor em equilíbrio electrostático apresenta algumas características:
1- A carga eléctrica distribuiu-se à superfície
Como acabamos de ver , a carga eléctrica distribui-se à superfície de um condutor em equilíbrio electrostático, independentemente do sinal da carga do condutor. Sendo assim, é nula a carga total no inferior do condutor.
 qinterior condutor = 0
Num condutor esférico em equilíbrio electrostático, por razões de simetria, a carga distribui-se uniformemente à superfície do condutor.
Verifica-se também que, no caso de um condutor oco, carregando positiva ou negativamente e em equilíbrio electrostático, as cargas eléctricas distribuem-se na superfície externa do condutor. A carga na superfície interior do condutor é nula.
2- Campo eléctrico, E , é nulo no seu inferior
Quando um condutor atinge o equilíbrio electrostático, o campo eléctrico no seu interior fica nulo ( Eint = 0 ).
Se assim não fosse , o campo eléctrico deslocaria os electrões de condução, originando um movimento de cargas e o condutor não estaria em equilíbrio electrostático.
Mesmo que o condutor apresente uma cavidade no seu interior (seja oco), o campo eléctrico é nulo a cavidade dentro do condutor.
Portanto, dentro de um condutor em equilíbrio electrostático não se fazem sentir acções eléctricas, pois E int = 0.
Um condutor como uma cavidade no seu interior pode, assim, ser usado pra blindagem electrostática, isolando das acções elétricas tudo o que estiver no seu interior.
Podemos desta forma proteger-nos ou proteger aparelhos de influências eléctricas, envolvendo-os com uma capa metálica fechada. Foi o que provou Michael Faraday (1791-1867) com a conhecida experiência da gaiola de Faraday.
Para mostrar que a carga eléctrica se distribui na superfície externa de um condutor em equilíbrio electrostático e que o campo eléctrico é, portanto, nulo no seu interior, Faraday construiu uma gaiola de metal, grande e isolada. Entrou na gaiola com um electroscópio e ordenou ao assistente que carregasse electricamente a gaiola. Esta foi submetida a descargas eléctricas altamente energéticas. No entanto Faraday, usando o electroscópio, verificou que nenhuma carga eléctrica adicional era detectada no interior da gaiola.
Apesar da superfície da gaiola não ser contínua, ela constitui uma blindagem eficaz.
Hoje, muitos aparelhos são protegidos em relação a campos eléctricos com base na gaiola de Faraday.
Um dos melhores lugares para nos protegermos de uma trovoada é, por exemplo, dentro de um automóvel.
O carro comporta-se como uma gaiola de Faraday.
3- O campo eléctrico, E , à superfície de um condutor em equilíbrio electrostático é perpendicular a superfície deste
Na superfície de um condutor em equilíbrio electrostático, o campo eléctrico, E , é perpendicular à superfície, em qualquer ponto.
Se assim não fosse haveria uma componente do campo eléctrico tangencial à superfície do condutor que deslocaria as cargas móveis, provocando um movimento orientado de cargas e o condutor não estaria em equilíbrio.
As linhas de campo de um condutor em equilíbrio electrostático serão, então, perpendiculares à superfície do condutor em qualquer ponto.
Na superfície exterior de um condutor carregando, em equilíbrio electrostático, a intensidade do campo eléctrico, E , é dada por:
 Esuperf = σ
 ε0
sendo σ a densidade superficial de carga na vizinhança do ponto onde calcula o campo.
A densidade superficial de carga é, por definição, igual à carga por unidade de área.
Então, a uma maior distribuição de carga, por unidade de área, corresponde um campo eléctrico mais intenso à superfície de um condutor em equilíbrio electrostático.
A intensidade de campo eléctrico à superfície de um condutor em equilíbrio electrostático é proporcional à densidade superficial de carga.
4- A carga tende a acumular-se nas regiões pontiagudas do condutor
Vimos que num condutor esférico em equilíbrio electrostático, por razões de simetria, a carga distribui-se uniformemente à superfície. Neste caso, a densidade superficial de carga é constante e o campo eléctrico à superfície tem o mesmo valor em qualquer ponto.
Contudo, esta distribuição superficial de cargas não é, em geral, uniforme, pois as cargas tendem a acumular-se nas regiões pontiagudas do condutor poder das pontas.
Nessas regiões pontiagudas, é maior a densidade superficial de carga, sendo aí o campo eléctrico mais intenso.
Potencial eléctrico
Os campos conservativos, tal como o campo gravítico e o campo electrostático, podem ser caracterizados, em cada ponto, pelo vector campo e pelo potencial (função escalar).
Vimosque o campo eléctrico, E , é uma grandeza física vectorial que caracteriza o campo eléctrico num ponto, independentemente da carga de prova.
Vamos, agora definir uma grandeza física escalar que também permite caracterizar um campo eléctrico num ponto. Essa grandeza física é o potencial eléctrico, V.
O potencial eléctrico, V, num ponto de um campo criado por uma carga pontual, Q é, por definição, igual à energia potencial eléctrica por unidade de carga positiva colocada nesse ponto.
 V = Epe ,ou seja, V = k Q
 q r
Como podemos verificar através desta expressão, o potencial eléctrico, V, é uma grandeza escalar posicional que caracteriza um campo eléctrico num ponto, na medida que só depende da distância r do ponto à carga criadora; não depende da carga de prova.
O potencial eléctrico criado por uma carga pontual é:
· Positivo, se a carga criadora do campo for positiva. Neste caso, o seu valor diminui à medida que a distância do ponto à carga criadora aumenta.
· Negativo, se a carga criadora do campo for negativa. Neste caso, o seu valor aumenta à medida que a distância do ponto à carga criadora aumenta.
A unidade SI de potencial eléctrico é o Joule por Coulomb, a que se deu o nome de volt, V.
Sabemos já que o campo eléctrico é um campo conservativo.
Trabalho no campo electrostático
Por esse facto, o trabalho realizado pela força eléctrica, Fe, no transporte de uma carga de prova q de um ponto A para um ponto B, só depende das posições de A e de B no campo, não depende da trajectória, sendo:
WAB( Fe) = Epe WAB(Fe) = (Epe(B)- Epe(A)) WAB(Fe) = Epe(A) – Epe(B)
Como os potenciais em A e B são, respectivamente:
 VA = Epe(A) e VB = Epe(B)
 q q
O potencial eléctrico num ponto é igual ao trabalho realizado pela força eléctrica, Fe , por unidade de carga de prova, quando esta se desloca do ponto A até ao infinito.
 
Conclusão 
Após fazermos o trabalho nos intendemos e concluímos que, Charles Coulomb (1736-1806), físico francês do século XVIII, dedicou-se ao estudo das interacções entre cargas eléctricas pontuais. Para isso utilizou, uma balança de torção, semelhante à utilizada por Cavendish para medir o valor da constante de gravitação universal.
Vimos também que o conceito de campo eléctrico é muito útil para descrever interações a distância.
Por fim concluímos que, Vimos que o campo eléctrico, E , é uma grandeza física vectorial que caracteriza o campo eléctrico num ponto, independentemente da carga de prova. 
Bibliografia
Aguilar, J., Senent, F. (1980). Cuestiones de Física. Madrid : Editorial Reverté, S.A. Livro com questões muito interessantes sobre Física geral e respectivas resoluções
Alonso M., Finn, E. J. (1999). Física. Madrid : Addison- Wesley Iberoamericana Espanã, S.A. Livro de Física geral
Benson, H. (1995). University phisics – Revised Edition. New York : John Wiley e Sons, Inc. Livro de Física geral
 
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