Fisica3 (Eletromagnetismo)

C, PÍ LO 22
TESTE 4
A figura mostra quatro orientações de
um dipolo elétrico em relação a um
campo elétrico externo. Coloque as
orientações na ordem (a) do módulo
do corque a que está submetido o dipolo
e (b) da energia potencial do dipolo,
começando pelo maior valor.
(1) (2)
Quando um dipolo gira de uma orientação 8; para uma orientação 8 1
, o trabalho
W realizado pelo campo elétrico sobre o dipolo é dado por
(22-39)
em que U 1
e U; podem ser calculadas usando a Eq. 22-38. Se a mudança de orientação
é causada por um torque aplicado (normalmente considerado um agente externo), o
trabalho W, realizado pelo torque sobre o dipolo é o negativo do trabalho realizado
pelo campo sobre o dipolo, ou seja,
Wa = - W= (U 1 - U;). (22-40)
Ê
Forno de Micro-ondas
(3) (4) O fato de que as moléculas de água são dipolos elétricos é essencial para o funcionamento
de um forno de micro-ondas. Quando o forno é ligado, uma fonte de micro-ondas
produz um campo elétrico alternado E no interior do forno, ao qual são
submetidas as moléculas de água do alimento que colocamos no forno. De acordo
com a Eq. 22-34, o campo elétrico E aplica um torque ao momento dipolar elétrico
p que tende a alinhar p com E. Como o campo E é alternado, as moléculas de água
mudam constantemente de orientação, tentando alinhar-se com E.
A energia do campo elétrico é transferida para a energia térmica da água (e, portanto,
do alimento) nos locais em que três moléculas de água se uniram para formar
um grupo. A agitação produzida pelo campo elétrico separa essas moléculas. Quando
as moléculas tornam a se unir, a energia da ligação é transferida para um movimento
aleatório do grupo e, em seguida, para as moléculas vizinhas. Em pouco tempo, a
energia térmica da água é suficiente para cozinhar o alimento. Às vezes esse tipo
de aquecimento é traiçoeiro. Se você esquenta uma rosquinha recheada com geleia,
por exemplo, a geleia (que contém muita água) se aquece muito mais que a massa
da rosquinha (que contém menos água). Embora a parte de fora da rosquinha esteja
quase fria, a geleia pode estar suficientemente quente para queimar a boca se você
não tomar cuidado ao dar a primeira dentada. Se as moléculas de água não fossem
dipolos elétricos, não haveria fornos de micro-ondas. ~
Exemplo
Torque e energia de um dipolo elétrico em um campo elétrico
Uma molécula de água (H 2 0) neutra no estado de vapor
tem um momento dipolar elétrico cujo módulo é 6,2 X
10- 3 o e. m.
(a) Qual é a distância entre o centro das cargas positivas e
o centro das cargas negativas da molécula?
IDEIA-CHAVE
O momento dipolar de uma molécula depende do valor
absoluto q da carga positiva ou negativa da molécula e da
distância d entre as cargas.
Cálculos Como uma molécula neutra de água possui 1 O
elétrons e 10 prótons, o módulo do momento dipolar é
dado por
p = qd = (lüe)(d),
em que d é a distância que queremos determinar e e é a
carga elementar. Assim, temos:
p 6,2 X 10- 3 o C, m
d = lOe = (10)(1,60 X 10- 19 C)
= 3,9 X 10- 12 m = 3,9 pm. (Resposta)
Essa distância é menor do que o raio do átomo de hidrogênio.
(b) Se a molécula é submetida a um campo elétrico de
1,5 X 10 4 N/C, qual é o máximo torque que o campo
elétrico pode exercer sobre a molécula? (Um campo
com essa intensidade pode facilmente ser produzido em
laboratório.)
IDEIA-CHAVE
O torque exercido por um campo elétrico sobre um dipolo
é máximo quando o ângulo e entre p e E é 90º.
Cálculo Fazendo e = 90º na Eq. 22-33, obtemos