À primeira vista, o conceito de campo pode parecer um pouco abstrato. O que é essa coisa invisível misteriosa preenchendo o espaço? Pode soar como algo saído de ficção científica!
Mas um campo é na verdade apenas uma construção matemática, ou uma maneira de atribuir um vetor a cada região do espaço, o que dá alguma indicação de quão forte ou fraco é um efeito em cada ponto.
Definição de Campo Elétrico
Assim como objetos com massa criam um campo gravitacional, objetos com carga elétrica criam campos elétricos. O valor do campo em qualquer ponto fornece informações sobre o que acontecerá com outro objeto quando colocado nele. No caso do campo gravitacional, fornece informações sobre qual força gravitacional outra massa sentirá.
Acampo elétricoé um campo vetorial que atribui a cada ponto no espaço um vetor que indica a força eletrostática por unidade de carga naquele local. Qualquer item com carga gera um campo elétrico.
As unidades SI associadas ao campo elétrico são Newtons por Coulomb (N / C). E a magnitude do campo elétrico devido a uma carga de fonte pontualQÉ dado por:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Onderé a distância da cargaQe a constante de Coulombk = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Por convenção, a direção do campo elétrico aponta para longe das cargas positivas e na direção das cargas negativas. Outra maneira de pensar sobre isso é que sempre aponta na direção em que uma carga de teste positiva se moveria se colocada lá.
Uma vez que o campo é a força por unidade de carga, então a força em uma carga de teste pontualqno campoEseria simplesmente o produto deqeE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Qual é o mesmo resultado dado pela Lei de Coulomb para a força elétrica.
O campo em qualquer ponto devido a múltiplas cargas de origem ou uma distribuição de carga é a soma vetorial do campo devido a cada uma das cargas individualmente. Por exemplo, se o campo produzido pela carga de origemQ1sozinho em um determinado ponto é 3 N / C para a direita, e o campo produzido por uma fonte de cargaQ2sozinho no mesmo ponto é 2 N / C à esquerda, então o campo naquele ponto devido a ambas as cargas seria 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C à direita.
Linhas de campo elétrico
Freqüentemente, os campos elétricos são representados por linhas contínuas no espaço. Os vetores de campo são tangentes às linhas de campo em qualquer ponto dado, e essas linhas indicam o caminho que uma carga positiva viajaria se pudesse se mover livremente no campo.
A intensidade do campo ou força do campo elétrico é indicada pelo espaçamento das linhas. O campo é mais forte em locais onde as linhas de campo estão mais próximas e mais fraco onde estão mais espalhadas. As linhas de campo elétrico associadas a uma carga de ponto positivo são semelhantes às seguintes:
As linhas de campo de um dipolo se assemelham às de uma carga pontual nas bordas externas de um dipolo, mas são muito diferentes entre elas:
•••wikimedia commons
As linhas de campo elétrico podem se cruzar?
Para responder a essa pergunta, considere o que aconteceria se as linhas de campo se cruzassem.
Conforme mencionado anteriormente, os vetores do campo são sempre tangentes às linhas do campo. Se duas linhas de campo se cruzam, então, no ponto de intersecção, haveria dois vetores de campo diferentes, cada um apontando em uma direção diferente.
Mas isso não pode ser. Você não pode ter dois vetores de campo diferentes no mesmo ponto no espaço. Isso sugere que uma carga positiva colocada neste local viajaria de alguma forma em mais de uma direção!
Portanto, a resposta é não, as linhas de campo não podem se cruzar.
Campos elétricos e condutores
Em um condutor, os elétrons são livres para se mover. Se um campo elétrico estiver presente dentro de um condutor, essas cargas se moverão devido à força elétrica. Observe que, uma vez que eles se movam, essa redistribuição de cargas começará a contribuir para o campo da rede.
Os elétrons continuarão se movendo enquanto existir um campo diferente de zero dentro do condutor. Portanto, eles se movem até que se distribuam de forma a cancelar o campo interior.
Por uma razão semelhante, qualquer carga líquida colocada em um condutor sempre fica na superfície do condutor. Isso ocorre porque cargas semelhantes se repelirão, distribuindo-se uniformemente de forma tão uniforme e distante quanto possível, cada um contribuindo para o campo interno líquido de tal forma que seus efeitos se cancelem Fora.
Portanto, em condições estáticas, o campo dentro de um condutor é sempre zero.
Esta propriedade dos condutores permiteblindagem elétrica. Ou seja, uma vez que os elétrons livres em um condutor sempre se distribuirão de forma que cancelem o campo interno, então qualquer coisa contida dentro de uma malha condutora será protegida da eletricidade externa forças.
Observe que as linhas de campo elétrico sempre entram e saem da superfície de um condutor perpendicularmente. Isso ocorre porque qualquer componente paralelo do campo faria com que os elétrons livres na superfície se movessem, o que eles farão até que não haja mais campo líquido naquela direção.
Exemplos de campo elétrico
Exemplo 1:Qual é o campo elétrico a meio caminho entre uma carga de +6 μC e uma carga de +4 μC separadas por 10 cm? Que força sentiria uma carga de teste de +2 μC neste local?
Comece escolhendo um sistema de coordenadas onde o positivox- o eixo aponta para a direita e deixa a carga de +6 μC na origem, enquanto a carga de +4 μC está emx= 10 cm. O campo elétrico líquido será a soma vetorial do campo devido à carga de +6 μC (que apontará para a direita) e do campo devido à carga de +4 μC (que apontará para a esquerda):
E = \ frac {(8,99 \ vezes 10 ^ 9) (6 \ vezes 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ vezes 10 ^ 9) (4 \ vezes 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ vezes10 ^ 6 \ texto {N / C}
A força elétrica sentida pela carga de +2 μC é então:
F = qE = (2 \ vezes10 ^ {- 6}) (7,19 \ vezes10 ^ 6) = 14,4 \ texto {N}
Exemplo 2:Uma carga de 0,3 μC está na origem e uma carga de -0,5 μC é colocada em x = 10 cm. Encontre um local em que o campo elétrico líquido seja 0.
Primeiro, você pode usar o raciocínio para determinar que não pode serentreas duas cargas porque o campo líquido entre elas será sempre diferente de zero e apontando para a direita. Também não pode ser para odireitoda carga de -.5 μC porque o campo líquido seria à esquerda e diferente de zero. Portanto, deve ser para odeixouda carga de 0,3 μC.
Deixard= distância à esquerda da carga de 0,3 μC onde o campo é 0. A expressão para o campo líquido emdé:
E = - \ frac {k (0.3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0.5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Agora você resolve parad,primeiro, cancelando ok 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Então você multiplica para se livrar dos denominadores, simplifica e faz uma fórmula quadrática:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Resolver o quadrático dád= 0,34 m.
Portanto, o campo líquido é zero em um local 0,34 m à esquerda da carga de 0,3 μC.