Condutor em equilíbrio

eletrostáticoFísica IIProf. Diones Charles

CONDUTORES EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO

Vamos estudar o campo elétrico e o potencial elétrico de uma distribuição de cargas em um condutor em equilíbrio eletrostático.

Para estudar os campos elétricos, não vamos usar sistemas de cargas puntiformes e sim distribuições de cargas em condutores.

Deve-se considerar que estes estão em equilíbrio eletrostático, ou seja, nenhuma carga está sendo colocada ou retirada do condutor, e

todo o movimento interno de cargas já cessou.

Definição: Um condutor está em equilíbrio eletrostático quando não há fluxo ordenado dos elétrons livres em seu interior.

• As cargas elétricas distribuem-se na superfície externa do condutor• O campo no interior do condutor é nulo.• O potencial no interior é o mesmo para qualquer ponto.• a concentração de cargas é maior nas regiões pontiagudas. (poder das pontas)

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E

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E

E

E

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Para raios

CONDUTORES EM EQUILÍBRIO

Um condutor está em equilíbrio eletrostático quando nele não ocorre movimento ordenado de cargas elétricas.

Caso um condutor em equilíbrio eletrostático seja eletrizado, este excesso de cargas elétricas (negativas ou positivas) será distribuída pela superfície do condutor, pois como sabemos cargas elétricas de mesmo sinal se repelem.

O maior afastamento possível corresponde a uma distribuição de cargas na superfície externa do condutor

Distribuição de cargas elétricas num condutor em equilíbrio eletrostático

• O campo elétrico no interior do condutor eletrizado é nulo.

O vetor campo elétrico é perpendicular à superfície.

O poder das pontas

Blindagem eletrostática

Densidade elétrica superficial

PROPRIEDADES DO CONDUTOR ISOLADO E EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO

O CAMPO ELÉTRICO NOS PONTOS INTERNOS DO CONDUTOR É NULO EINTERNO = 0

Fel = q.E E = 0 Fel = 0

O POTENCIAL ELÉTRICO EM TODOS OS PONTOS, INTERNOS E SUPERFÍCIAIS É CONSTANTE

V = CONSTANTE

PROPRIEDADES DO CONDUTOR ISOLADO E EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO

E.d = U E = 0 U = 0 VA - VB = 0 VA = VB

CAMPO INTERNO

No interior de um condutor eletrizado, de qualquer formato, o campo elétrico é nulo.

Se houvesse campo elétrico no interior do condutor, ele agiria nos elétrons livres, os quais teriam um movimento ordenado sob sua influência, contrariando o conceito de condutor em equilíbrio eletrostático.

CAMPO EXTERNO

Da sua superfície para fora, o campo elétrico não será nulo. O vetor campo elétrico deve ser normal à superfície. Se o vetor campo fosse como no ponto da mesma figura, ele teria uma componente tangencial à superfície do condutor, o que provocaria movimento ordenado de cargas ao longo da superfície.

Fel = q.E E = 0 Fel = 0

CONDUTOR ESFÉRICO

Para se determinar o vetor campo elétrico e o potencial elétrico em

pontos externos a um condutor esférico eletrizado, supõe-se sua carga puntiforme e concentrada no centro:

O potencial elétrico do condutor esférico de raio é o potencial de qualquer ponto interno ou superficial, sendo dado pelo valor fixo:

Blindagem EletrostáticaConsidere um condutor oco A em equilíbrio

eletrostático e, em seu interior, o corpo C. Como o campo elétrico no interior de qualquer condutor em equilíbrio eletrostático é nulo, decorre que A protege o corpo interno C, de qualquer ação elétrica externa. Um corpo eletrizado B induz cargas no corpo externo A , mas não no corpo interno C. Desse modo, o condutor externo A, constitui uma blindagem eletrostática para o corpo C.

Uma tela metálica envolvendo certa região do espaço também constitui uma blindagem chamada “gaiola de Faraday".

A blindagem eletrostática é muito utilizada para a proteção de aparelhos elétricos e eletrônicos contra efeitos externos perturbadores. Os aparelhos de medidas sensíveis estão acondicionados em caixas metálicas, para que as medidas não sofram influências externas. As estruturas metálicas de um avião, de um automóvel e de um prédio constituem blindagens eletrostáticas.

O Poder das Pontas

Nas regiões pontiagudas de um condutor carregado, a densidade de carga, isto é, a concentração de cargas elétricas por unidade de área superficial é mais elevada. Por isso, nas pontas e em suas vizinhanças o campo elétrico é mais intenso.

• Quando o campo elétrico nas vizinhanças da ponta atinge determinado valor, o ar em sua volta se ioniza e o condutor se descarrega através da ponta. Esse fenômeno recebe o nome de ``poder das pontas". É nele que se baseia, por exemplo, o funcionamento dos pára-raios.

AQ

24 R

Q

Equilíbrio Eletrostático

As nuvens de tempestade têm altura entre 2 e 18 km, apresentando temperaturas internas muito diferentes. Na parte inferior, a temperatura é próxima à do ambiente (em média 20 °C), enquanto que na parte mais alta pode atingir ─ 50 oC.

Como se formam os raios

As nuvens de tempestade têm altura entre 1,5 e 15 km, apresentando temperaturas internas muito diferentes. Na parte inferior, a temperatura é próxima à do ambiente (em média 20 oC), enquanto que na parte mais alta pode atingir - 50 oC.

Como se formam os raios

Este enorme gradiente de temperaturas gera ventos muito intensos no interior das nuvens que, por sua vez, provocam a separação de cargas elétricas devido ao atrito com as partículas de gelo existentes no topo. Assim, a parte inferior das nuvens contém excesso de cargas negativas, enquanto a parte superior, positivas.

Uma das causas da eletrização seria o atrito entre as partículas de água e gelo.

Distribuição de cargas no solo e nas nuvens.

Ocorre um raio quando a diferença de potencial entre a nuvem e a superfície da Terra ou entre duas nuvens é suficiente para ionizar o ar: os átomos do ar perdem alguns de seus elétrons e tem início uma corrente elétrica (descarga).

O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o trovão audível.

A descarga elétrica aquece o ar, provocando uma expansão que se propaga em forma de uma onda sonora, originando o trovão.

Cerca de 70% dos raios ocorrem dentro da nuvem ou entre nuvens.

Fatos sobre os raios• A energia total numa grande tempestade elétrica é

superior à de uma bomba atômica.

• O Brasil é o país mais atingido por raios no mundo, sendo o sul de Mato Grosso do Sul a região brasileira de maior incidência. Lá ocorrem anualmente, cerca de 20 raios por quilômetro quadrado.

Fatos sobre os raios

Fatos sobre os raios

• Cerca de 100 brasileiros morrem por ano vítimas de raios, o que corresponde a 10% dessas mortes no mundo.

Locais perigosos e seguros para uma pessoa permanecer durante uma tempestade.

Distribuição por ambientes de maior risco de acidentes.

Você está de carro em uma tempestade, de repente o carro é atingido por um raio, o que acontece?

Assustado com tudo isso, você estaciona o carro e corre para debaixo de uma árvore.

• Lenda: Se não está chovendo não caem raios.• Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva.

• Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa seja atingida por um raio.

• Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior; sem tocar em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro é sempre mais seguro dentro do que fora dele.

• Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e não devem ser tocadas.

• Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico, especialmente reanimação cardiorrespiratória.

• Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar.• Verdade: Não importa qual seja o local ele pode ser atingido repetidas vezes, durante uma

tempestade. Isto acontece até com pessoas.

Você já ouviu falar que se devem guardar tesouras e facas na gaveta ou cobrir espelhos em caso de tempestade?

Muitas crendices foram criadas pela falta de conhecimento sobre as manifestações elétricas naturais.

Guardar tesouras e facas ou cobrir espelhos não protege ninguém quando ocorre a queda de um raio.