Fisica3 (Eletromagnetismo)

PARTE 3
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CAMPOS ELÉTRICOS 23
Embora seja usada uma carga de prova para definir o campo elétrico produzido
por um objeto carregado, o campo existe independentemente da carga de prova. O
campo no ponto P da Fig. 22-lb existia antes de ser introduzida a carga de prova da
Fig. 22-1 a e continua a existir depois que a carga de prova é introduzida. (Na definição
de campo elétrico está implícita a suposição de que a presença da carga de
prova não afeta a distribuição de cargas e, portanto, não afeta o campo elétrico que
estamos medindo.)
Para investigar o papel de um campo elétrico na interação entre objetos carregados,
temos que realizar duas tarefas: (1) calcular o campo elétrico produzido por uma
dada distribuição de cargas; (2) calcular a força que um campo elétrico dado exerce
sobre uma carga. A primeira tarefa será executada nas Seções 22-4 a 22-7 para várias
distribuições de cargas. A segunda será executada nas Seções 22-8 e 22-9 para uma
carga pontual e um par de cargas pontuais na presença de um campo elétrico. Antes,
porém, vamos discutir uma forma de visualizar campos elétricos.
22-3 Linhas de Campo Elétrico
O cientista inglês Michael Faraday, que introduziu a ideia de campos elétricos no
século XIX, imaginava que o espaço nas vizinhanças de um corpo eletricamente carregado
era ocupado por linhas de força. Embora não se acredite mais na existência
dessas linhas, hoje conhecidas como linhas de campo elétrico, elas são uma boa
maneira de visualizar os campos elétricos.
' A relação entre as linhas de campo e os vetores de campo elétrico é a seguinte:
(1) em qualquer ponto, a orientação de uma linha de campo retilínea ou a orientação
da tangente a uma linha de campo não retilínea é a orientação do campo elétrico Ê
nesse ponto; (2) as linhas de campo são desenhadas de tal forma que o número de
linhas por unidade de área, medido em um plano perpendicular às linhas, é proporcional
ao módulo de Ê. Assim, E tem valores elevados nas regiões em que as linhas
de campo estão mais próximas e valores pequenos nas regiões em que as linhas de
campo estão mais afastadas.
A Fig. 22-2a mostra uma esfera com uma distribuição uniforme de cargas negativas.
Quando colocamos uma carga de prova positiva nas proximidades da esfera,
a carga de prova é submetida a uma força eletrostática dirigida para o centro
da esfera. Isso significa que em todos os pontos nas proximidades da esfera o vetor
campo elétrico aponta para o centro da esfera. Esse padrão pode ser visto nas linhas
de campo da Fig. 22-2b, que apontam na mesma direção que os vetores da força
eletrostática e do campo elétrico. Além disso, o maior espaçamento das linhas em
pontos mais distantes mostra que o módulo do campo elétrico diminui com a distância
do centro da esfera.
Se a esfera da Fig. 22-2 estivesse carregada com cargas positivas, os vetores
campo elétrico apontariam para longe da esfera. Assim, as linhas de campo elétrico
também apontariam para longe da esfera. Temos, portanto, a seguinte regra:
Tabela 22-1
Alguns Campos Elétricos
Local ou
Situação
Valor
(N/C)
Superfície de um núcleo de
urânio 3 x 10 21
Átomo de hidrogênio, a uma
distância de 5,29 X 10- 11 m
do núcleo 5 x 10 11
Ruptura dielétrica do ar 3 X 10 6
Perto da supetfície carregada
de uma fotocopiadora 10 5
Perto de um pente carregado 10 3
Atmosfera inferior 10 2
Interior de um fio de cobre de
uma instalação residencial 10- 2
'f F
$ carga de
prova positiva
(a)
As linhas de campo elétrico se afastam das cargas positivas (onde começam) e se
aproximam das cargas negativas (onde terminam).
A Fig. 22-3a mostra parte de uma placa infinita não condutora com uma distribuição
uniforme de cargas positivas em uma das superfícies. Quando colocamos uma
carga de prova positiva nas proximidades da placa, a carga é submetida a uma força
eletrostática perpendicular à placa, já que as forças aplicadas em todas as outras direções
se cancelam por causa da simetria. Além disso, o sentido da força é para longe
da placa. Assim, os vetores campo elétrico e as linhas de campo em qualquer ponto
do espaço, dos dois lados da placa, são também perpendiculares à placa e apontam
para longe da placa (Figs. 22-3b e 22-3c). Como a carga está uniformemente distri-
Figura 22-2 (a) Uma força
eletrostática F age sobre uma carga
de prova positiva colocada nas
proximidades de uma esfera que contém
uma distribuição uniforme de cargas
negativas. (b) O vetor campo elétrico Ê
na posição da carga de prova e as linhas
de campo no espaço que cerca a esfera.
As linhas de campo elétrico terminam
na esfera negativamente carregada. (As
linhas têm origem em cargas positivas
distantes.)