Semana 02
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Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
Teoria Eletromagnética
Prof. José Patrocínio da Silva
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Energia e Potencial e Potencial Eletrostático
Deslocamento de uma carga do
ponto A para o ponto B na presença
de um campo elétrico
E
rA
rB
r
dl
dlEQdlFdW
EQF
B
A
dlEQW
AB
B
A
VdlEQ
W
Energia potencial por unidade de carga,
também conhecida por diferença de
potencial entre os pontos A e B.
Em 𝑉𝐴𝐵, A é o inicial e B é o ponto final;
𝑉𝐴𝐵 é medido em joules por coulomb, ou
mais comumente em volts (v).
A
B
Em 𝑉𝐴𝐵, A é o ponto inicial e B é o ponto final;
Se 𝑉 𝐴𝐵 é negativo, existe uma perda de energia
potencial ao movimentarmos Q de A até B. Isso
significa que o trabalho é feito pelo campo, se 𝑉𝐴𝐵 é
positivo, existe um ganho em energia potencial no
movimento, isso significa que um agente externo é
o responsável por esse trabalho.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
rar
QE ˆ
4 2
0
ABAB
AB
rr
r
r
AB VVVrr
Qadra
r
QV
B
A
11
4ˆˆ
4 0
2
0
Se considerarmos o ponto no infinito como referência e seu potencial como zero,
dessa forma, VA= 0 (voltz) quando rA , o potencial quando rB r, devido a carga
pontual se Q, localizada na origem será dado por:
)(4 0
voltsr
QV
O potencial em qualquer ponto é a diferença de potencial entre esse ponto e um
ponto escolhido no qual o potencial é arbitrado como zero
Energia e Potencial e Potencial Eletrostático
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
dlEV
r
Se a carga de prova (carga pontual), não estiver localizada na origem, mas em um
ponto cujo o vetor posição é r’, o potencial V(x, y, z) ou, simplesmente V(r), em r será
dado por:
|'|4)(
0 rr
QrV
O potencial devido a n cargas pontuais, será obtido usando-se o princípio da
superposição, o mesmo aplicado para o caso do campo elétrico. Portanto para n
cargas Q1, Q2, ... Qn localizadas em pontos com vetores posição r1, r2, ..., rn, o
potencial em r será dado por:
||4...
||4||4)(
020
2
10
1
n
n
rr
Q
rr
Q
rr
QrV
Energia e Potencial e Potencial Eletrostático
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
L
L
rr
dlrrV
|'|
')'(
4
1)(
0
Linha de carga
S
S
rr
dsrrV
|'|
')'(
4
1)(
0
Superfície de carga
v
v
rr
dvrrV
|'|
')'(
4
1)(
0
Volume de carga
A diferença de potencial VAB pode ser determinada genericamente, a partir da equação a seguir:
B
A
ABABQ
WdlEVVV
Para distribuições contínuas de carga tem-se:
Energia e Potencial e Potencial Eletrostático
O potencial em um ponto pode ser determinado de duas formas, dependendo do que for
conhecido. Se conhecermos a distribuição de cargas, usamos uma das equações acima. Se o
campo elétrico, 𝐸 for conhecido, usamos a seguinte expressão:
CdlEVAB Onde C é uma constante determinada no ponto de referência adotado. O mesmo raciocínio
se aplica as equações onde a carga ou distribuição é conhecida.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Exemplo:
Duas cargas pontuais –4 C e –5 C estão localizadas em (2, -1, 3) e em (0, 4, -2), respectivamente.
Determine o potencial em (1, 0, 1), considerando potencial zero no infinito.
x
y
z
𝑄1 = −4𝜇𝐶
(2,-1,3)
(0,4,-2)
(1,0,1)
𝑄2 = 5𝜇𝐶
𝑟 1
𝑟 2
𝑟
0
20
2
10
1
||4||4)( C
rr
Q
rr
QrV
Solução:
𝑟 − 𝑟 1 = 1, 0, 1 − (2, −1, 3) = (−1, 1, −2) = (−1)2+12 + (−2)2= 6
𝑟 − 𝑟 2 = 1, 0, 1 − (0, 4, −2) = (1,−4, 3) = (1)2+(−4)2+(3)2= 26
𝑆𝑒 𝑉 ∞ = 0, 𝑒𝑛𝑡ã𝑜 𝐶0 = 0
0264
105
64
104)1,0,1(
0
6
0
6
V
9806,0633,110926
5
6
4
36
104
10)1,0,1( 3
9
6
V
kVV 872,510872,5)1,0,1( 3
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Exemplo:
Uma carga de 5 nC está localizada em (-3, 4, 0), enquanto que uma linha em y = 1 e z =1 está
carregada uniformemente com 2 nC/m.
(a) Se V = 0 V em O(0, 0, 0), termine V em A(5, 0, 1).
(b) Se V = 100 V em B(1, 2, 1), termine V em C(-2, 5, 3).
(c) Se V = -5 V em O, termine VBC.
Solução:
Seja o potencial em um ponto qualquer dado por: 𝑉 = 𝑉𝑄 + 𝑉𝐿, onde 𝑉𝑄 e 𝑉𝐿 são as contribuições ao potencial VI, nesse ponto,
devido à carga pontual e à linha cargas, respectivamente.
Para a carga pontual tem-se:
1
02
02
0 44ˆˆ
4C
r
Qr
r
Qdraa
r
QdEV rrQ
Para a linha de cargas tem-se:
Campo elétrico devido a uma carga pontual.
2
000
ln22
ˆˆ2
Cd
daadEV LLLL
Campo elétrico devido a uma linha de cargas.
21
00
ln24
CCr
QVVV L
LQ
C1 + C2 = Constante; é a distância perpendicular da linha 𝑦1 = 1 𝑒 𝑧1 ao ponto de
interesse; e r é a distância da carga pontual ao ponto de interesse.
VVC 825,49
VVBC 175,50
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
x
y
z
𝑄 = 5𝑛𝐶 (x = 1, y = 1)
(-3,4,0)
𝜌𝐿 = 2𝑛𝐶/𝑚
VA(5,0,1) = ?
𝑉 0, 0, 0 = 0𝑉
𝑉 1, 2, 1 = 100𝑉
(a) Se V = 0 em O(0, 0, 0) e V em A(5, 0, 1) deve ser calculado, deve-se obter
valores de 𝜌 e 𝑟 em O e em A.
𝑟0 = 0, 0, 0 − (−3, 4, 0) = (3,−4, 0) = 32 + (−4)2+0 = 25 = 5
(0,0,0)
𝑟0
𝑟𝐴
𝑟𝐴 = 5, 0, 1 − (−3, 4, 0) = (8 − 4, 1) = 82 + (−4)2+1 = 81 = 9
Para se obter 𝜌, deve-se considerar que este é a distância perpendicular entre o
ponto a ser considerado e a linha de cargas descrita no problema. Ou seja,
𝜌 = 𝑥, 𝑦, 𝑧 − (𝑥, 𝑦0, 𝑧0) = (0, 𝑦 − 𝑦0, 𝑥 − 𝑥0 = (𝑥 − 𝑥0)2+(𝑦 − 𝑦0)2 , já
que a linha, para esse caso, é paralela ao eixo x.
𝜌0 = 0, 0, 0 − (0, 1, 1) = (0,−1, −1) = 02 + (−1)2+(−1)2= 2
𝜌𝐴 = 5, 0, 1 − (5, 1, 1) = (0,−1, 0) = 02 + (−1)2+(0)2= 1 = 1
1
2ln
36
102
102
9
1
5
1
36
104
105ln
2
11
4 9
9
9
9
00
0
AO
L
AO
AAOrr
QVVV
2ln369
1
5
1450
1
2ln
36
102
102
9
1
5
1
36
104
1059
9
9
9
0
AA VVV
voltz477,842ln369
1
5
1452ln36
AAA VVV
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Relação entre o campo elétrico e o potencial elétrico
A diferença de potencial entre dois pontos A e B independem da trajetória percorrida, por essa razão:
BAAB VV
0dlEVV BAAB
0dlE
0)( SdEdlE
0 E
Campo Conservativo
A integral de linha de 𝐸 ao longo de uma trajetória fechada deve ser nulo. Isso
implica que é realizado trabalho ao se movimentar uma carga, ao longo de uma
trajetória fechada, no interior de um campo eletrostático. A plicando o teorema de
Stokes em 𝐸. 𝑑ℓ = 0, tem-se:
Forma integral da equação de Maxwell
para campos eletrostáticos
0 E
Forma diferencial da equação de
Maxwell para campos eletrostáticos
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
dzz
Vdy
y
Vdx
x
VdV
dzEdyEdxEdV
dlEV
zyx
Comparando as duas últimas equações acima tem-se:
z
VE
y
VE
x
VE zyx
,,
VE
O campo Elétrico E é igual ao gradiente de V. O sinal negativo indica que a direção de 𝐸
é oposta a direção em na qual V aumenta.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Exemplo
Solução
(a) 𝐷 = 𝜀0𝐸
Em coordenadas esféricas 𝐸 = −𝛻𝑉 = −𝜕𝑉
𝜕𝑟𝑎 𝑟 +
1
𝑟
𝜕𝑉
𝜕𝜃𝑎 𝜃 +
1
𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃
𝜕𝑉
𝜕∅𝑎 ∅ , portanto, aplicando na
equação dada para o potencial tem-se:
Em (2,𝜋
2, 0) tem-se: 𝐷 = 𝜀0𝐸
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Continuação:
(b) O trabalho realizado poderá ser calculado usando 𝐸 ou V.
Método 1:
Em vez de movimentar a carga Q
diretamente de A até B, a carga é
movimentada de 𝐴 → 𝐴′, 𝐴′ → 𝐵′ e
de 𝐵′ → 𝐵 , de forma que somente
uma variável se altera por vez. Este
procedimento torna mais prático o
cálculo da integral
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Método 2:
Como V já é conhecido pode-se fazer:
Portanto W = 28,125 μJ, mesmo resultado obtido anteriormente.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Dipolo Elétrico e as Linhas de Fluxo
Quando duas cargas pontuais de igual magnitude e sinais opostos estão separadas por uma pequena
distância, tem-se um dipolo Elétrico.
20
2
10
1
44 r
Q
r
QV
𝑚𝑎𝑠, 𝑄1 = 𝑄2
Mesma magnitude
21
12
0210 4
11
4 rr
rrQ
rr
QV
𝑟1e 𝑟2são as distâncias entre P e + Q e entre P e
–Q, respectivamente. Se 𝑟 ≫ 𝑑, 𝑟2 − 𝑟1 ≅𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃 e 𝑟1𝑟2 = 𝑟2, portanto:
20
1 cos
4 r
dQV
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Dipolo Elétrico e as Linhas de Fluxo
Como: 𝑑𝑐𝑜𝑠 = 𝑑 . 𝑎 𝑟, onde 𝑑 = 𝑑𝑎 𝑧, se definirmos 𝑃 = 𝑄𝑑 , como momento de dipolo, podemos
escrever o potencial como:
20
20
1
4
ˆcos
4 r
ap
r
dQV z
𝑃 está orientado de –Q para +Q. Se considerarmos que o centro do dipolo foi deslocado do centro
para um r’ qualquer no sistema, tem-se:
3
0 '4
)'()(
rr
rrprV
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Dipolo Elétrico e as Linhas de Fluxo
O campo elétrico devido ao dipolo na origem, pode ser obtido como
Uma linha de fluxo elétrico é uma trajetória ou uma
linha imaginária desenhada de tal modo que sua
orientação em qualquer ponto é a orientação do
campo elétrico nesse ponto.
z
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Densidade de Energia no Campo Eletrostático
0
22
022
1
DEWE
Campos Elétricos em Meio Material
A corrente elétrica (Ampéres): É a quantidade de carga que passa através de uma
área por unidade de tempo
dt
dQI
VdvDWE
2
1
Densidade de energia eletrostática em (J/m3)
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Densidade de Corrente
Se uma corrente I atravessa uma superfície s, a densidade de corrente é dada por:
S
IJ
S
SdJI
Para um material condutor a densidade de corrente é dada por:
EJ
m
ne
2
É a condutividade do material, os da condutividade para
os materiais comuns são tabelados.
Forma pontual da lei de
ohm
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Três cargas pontuais -1 nC, 4 nC 3 nC estão localizadas em (0, 0, 0), (0, 0, 1) e (1, 0, 0),
respectivamente. Determine a energia do sistema.
Solução: Para se obter a energia armazenada em um
arranjo, deve-se primeiramente, determinar a
quantidade de trabalho necessário para reunir
essas cargas. Portanto, a energia pode ser dada
por 𝑊𝐸 = (1 2 ) 𝑄𝑘𝑉𝑘𝑛𝑘=1 em Joules. Onde 𝑉𝑘
representa os potenciais totais nos pontos. Logo,
para o problema em discussão tem-se
3
132211 3
2
1
2
1
kkk VQVQVQVQW
z
y
x Q3(1,0,0)
Q2(0,0,1)
Q1(0,0,0)
3
1231333212231211
2
1
2
1
kkk VVQVVQVVQVQW
20
2
10
13
30
3
10
12
30
3
20
21
4444442
1
rr
Q
rr
rr
Q
rr
rr
Q
rr
QQW
1
1
2
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
)2(4)1(4)2(4)1(4)1(4)1(42
1
0
2
0
13
0
3
0
12
0
3
0
21
QQQ
QQQ
QQQW
Continuação
)2()2(8
1 213
312321
0
QQQ
QQQQQQW
)2(4
1
)2(
222
8
1 323121
0
323121
0
QQQQQQ
QQQQQQW
2
127109
2
1012103104109
)2(
36
104
1 918
181893231219
QQQQQQW
)2()2(8
1 2313
32123121
0
QQQQ
QQQQQQQQW
nJ 37,13W
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Campos Elétricos em Meios materiais
Correntes elétricas de convecção e de condução
A corrente elétrica (Ampères), é a quantidade de carga que passa através de uma área por
unidade de tempo
dt
dQI
Assim, para uma corrente de um ampère, a carga está sendo transferida a uma taxa de um
coulomb por segundo.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Densidade de Corrente
Se uma corrente I atravessa uma superfície s, a densidade de corrente é dada por:
SJIS
IJ nn
ou
S
SdJI
Para um material condutor a densidade de corrente é dada por: EJ
m
ne
2
É a condutividade do material, os da condutividade para os materiais comuns são
tabelados.
𝐽 = 𝜎𝐸 representa a forma pontual da lei de ohm, onde
Considerando que a densidade de corrente 𝐽 é perpendicular à superfície, tem-se:
A densidade de corrente em um dado ponto é a
corrente através de uma área unitária normal aquele
ponto.
yvv ΔSuΔt
ΔΔS
Δt
ΔQΔI
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Características dos materiais condutores Os condutores possuem, em abundância, cargas elétricas que estão livres para se movimentarem.
Quando um campo elétrico é aplicado, as cargas livres positivas são empurradas no sentido do
campo aplicado, enquanto que as cargas negativas movem-se no sentido oposto. Estas cargas
elétricas se acumulam as superfície do condutor, formando uma superfície de cargas induzidas
Um condutor perfeito não pode
conter um campo eletrostático em
seu interior e o potencial é o
mesmo em qualquer ponto no
condutor. logo:
0 ,0 ,0 abv VE
No interior do condutor sob
condições estáticas
SR
SR
SI
VV
S
I
S
IE
S
IJ
VE c
ℜ𝑐 =1
𝜎 é resistividade do material
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
Condutor de seção reta uniforme sob um campo 𝑬
SdE
dE
I
VR
dvJEP
RIP 2
Lei Joule
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
1 – Exemplo:
Seja a densidade de corrente J dada abaixo. Calcule a corrente que
passa através de;
2
3A/m )ˆˆcos2(
1 asena
rJ r
a) Uma casca hemisférica de raio 20 Cm;
b) Uma casca esférica de raio 10 Cm.
2 – Exercício:
Para uma densidade de corrente J dada abaixo. Determine a corrente
através de uma superfície cilíndrica dada por = 2 e (1 z 5m).
22 A/m )ˆ 10 azcsenJ
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
1 – Solução (a):
raddsenrSdSdJI ˆ onde 2
AIsen
sendsenr
I
dsenrr
I
r
r
1022,0
4)(2
2
)()cos(21
20
2
2,0
2
0
2,0
2
0
2
0
2
3
1 – Solução (b): Aqui temos 0 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋 e 𝑟 = 0,1 𝑚
AIsen
I 021,0
40
2
Uma outra maneira de resolver este problema seria utilizar 𝐼 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 = 𝛻 ∙ 𝐽 𝑑𝑣 = 0
uma vez que 𝛻 ∙ 𝐽 = 0.
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
2 – Exercício:
Para uma densidade de corrente J dada abaixo. Determine a corrente através de
uma superfície cilíndrica dada para = 2 e (1 z 5m). 22 A/m )ˆ 10 azcsenJ
Solução: adzdSd ˆ
dzdzIdzdzsenSdJIz
2
0
5
1
2
0
5
1
2 2cos12
11010
dz
IdzdzI2
0
22
0
5
1
2cos12
1
1
5
2102cos1
2
110
0
222
2
1
2
2
2cos2
12cos1
2
1 2
0
2
0
2
0
sen
ddd
AII 7,75324012)2(102
1
2
2510
Teoria Eletromagnética ‒ Engenharia Elétrica
3 – Exemplo:
Um exemplo típico de transporte convectivo de cargas, é encontrado no gerador de Van
de Graaff, no qual as cargas são transportadas sobre uma correia que se movimenta da
base até a calota esférica, como mostrado na figura baixo. Se uma densidade de cargas
de 10−7 𝐶
𝑚2 é transportada a uma velocidade de 2 m/s, calcule a carga coletada em 5
segundos. Considere a largura da correia de 10 cm.
nCQQ
Csms
m
m
CtuItQ
t
QI
uI
s
s
10010100
10151,0210
9
7
2
7
Solução: Se 𝜌𝑠 é a densidade superficial de cargas, u é a velocidade
da correia e ℓ a largura da correia, a corrente na calota poderá ser
dada por: