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terça-feira, 2 de dezembro de 2014

Lei de Gauss

 Trata-se de um método alternativo para cálculo do Campo Eletrostático gerado por uma distribuição de cargas. Utilizado sempre com simetrias envolvidas. Evidencia a relação entre Carga Elétrica e Campo Elétrico. O fluxo elétrico através de uma superfície fechada (gaussiana) é proporcional à carga líquida que está envolvida pela superfície.
Onde qint representa apenas a porção da carga que está envolvida pela superfície gaussiana (S). εo = 8,85 x 10 -12 C2/N.m2: constante de permissividade.
Caso mais simples: Verificar a lei de Gauss para uma carga puntiforme q. Observações iniciais:
1)      De acordo com o que vimos anteriormente, as linhas de força do campo gerado por uma carga q são radiais com origem na carga. Portanto, se escolhermos uma superfície esférica de raio r (distância da carga ao ponto onde queremos calcular o campo), a normal a esta superfície terá também direção radial em qualquer ponto;
2)     Elemento de área  é :
 sendo dA o elemento de área de uma esfera.

Sendo: F=q0E
Sendo esta a expressão para Lei de Coulomb envolvendo duas cargas q e q0. A densidade de cargas serão conforme as equações abaixo:
Densidade de carga volumétrica:

Densidade de carga Superficial:

Densidade de carga Linear:
 Em alguns casos é necessário adicionar algo que auxilie na resolução, neste caso, com argumentos de simetria teremos ideia de como o campo aparece.
O fluxo elétrico para qualquer superfície fechado é igual á carga resultante encerrada na superfície, dividido por εo.
O fluxo elétrico depende do campo elétrico, ou seja, a lei de Gauss estabelece uma maneira de relacionar o campo elétrico em torno de uma dada região (superfície) com a distribuição de cargas que o produz.
Aplicações da Lei de Gauss
Figura 1: aplicações da Lei de Gauss para carga pontual, cilindro carregado, esfera, múltiplas cargas e placas carregadas em paralelo.

Podemos utilizar a Lei de Gauss para calcular o campo elétrico produzido por distribuições contínuas de carga, quando as mesmas exibirem algum tipo de simetria.
1º. Caso: Simetria Cilíndrica
Campo elétrico de um fio infinito e a superfície gaussiana é um cilindro de raio r e altura h
Figura 2: Cálculo do campo para um fio infinito
Considerações de simetria:
(i)    o campo elétrico tem direção radial, ou seja, é perpendicular a todos os pontos da lateral da gaussiana cilíndrica;
(ii)  o campo elétrico tem o mesmo módulo em todos os pontos da lateral da gaussiana.

Usando a consideração (i), o campo tem direção radial
Base 1: como o campo é perpendicular ao elemento de área, θ = 90o, cos 90o = 0,  
 


Base 2: novamente campo é perpendicular ao elemento de área, θ = 90o, cos 90o = 0, 
 


Lateral: como campo é paralelo à área, θ = 0o, cos 0o = 1,
 


Usando a consideração (ii) o campo elétrico é constante ao longo da lateral
Pois a área da superfície lateral do cilindro (retângulo) é o comprimento da base (2πr) multiplicado pela altura h.
Carga envolvida pela gaussiana: como a barra está uniformemente carregada, a  gaussiana cilíndrica tem comprimento h e densidade linear de carga.
Lei de Gauss:

O campo elétrico gerado pela barra cai com o inverso da distância (não é uniforme). As linhas de força têm direções radiais a partir da barra. Se a carga da barra é positiva, as linhas apontam para fora da barra, caso contrário (carga negativa), apontam para dentro.

2º. Caso: Simetria Plana
Campo Elétrico de uma Plano Infinito de Cargas: placa plana fina e infinitamente extensa, com uma carga distribuída uniformemente sobre sua superfície. A superfície gaussiana S é um cilindro que de raio da base r e altura 2r que intercepta a placa perpendicularmente.

Figura 3: Cálculo do campo de um plano infinito de cargas

Considerações de simetria:
(i) E é perpendicular à placa, em particular é perpendicular às bases do cilindro;
(ii) E é constante para todos os pontos a uma mesma distância r da placa, ou seja, constante para as bases do cilindro;
(iii) E aponta para fora dos dois lados da placa, se esta for positivamente carregado, e para dentro dos dois lados da placa se esta for negativamente carregada.
Usando a consideração (i) campo elétrico é sempre perpendicular à placa
Base 1: como o campo é paralelo ao elemento de área, θ = 0o, cos 0o = 1,  
 


Base 2: novamente campo é paralelo a dA, θ = 0o,  
 


Lateral: Campo é perpendicular a dA, θ = 90o, cos 90o = 0,  
 



 Usando a consideração (ii) o campo é constante ao longo da lateral


Carga envolvida pela gaussiana: carga de um círculo de área A. Obs. Nem precisamos escrever A = π r2, pois a área é simplificada no cálculo. Densidade superficial de carga.
Lei de Gauss:


 O campo elétrico de um plano infinito é uniforme: não depende da distância r ao plano, e as linhas de força são paralelas entre si e perpendiculares ao plano de cargas
Figura 4: esquema das linhas de força paralelas e perpendiculares em relação ao plano

Se o plano está positivamente carregado, as linhas de campo afastam-se do plano em ambos os lados. Se o plano está negativamente carregado, as linhas convergem para o plano também em ambos os lados.
Em geral, o campo elétrico nas proximidades de QUALQUER superfície condutora é perpendicular à superfície e tem módulo:


A demonstração segue essencialmente os mesmos passos da que foi apresentada para a simetria plana, pois vale para a região imediatamente próxima de qualquer ponto da superfície do condutor, independentemente da forma deste. Em particular, o campo elétrico produzido por um plano infinito condutor não é σ/2εo, e sim  σ/εo, em conformidade com o resultado anterior.
Condutor isolado num campo elétrico externo: Dentro do condutor vimos na aula passada que E = 0. As linhas de força no exterior do condutor são tais que interceptam perpendicularmente a superfície do condutor. O módulo do campo é proporcional à densidade superficial de carga no condutor. Quanto maior a densidade de linhas de força que entram ou saem do condutor numa certa região, maior a carga superficial nesta região.
3º. Caso: Simetria Esférica
Campo elétrico gerado por uma casca esférica de raio R
Acesse o Aplicativo:

Figura 4: Simulação carga positiva envolta por uma superfície gaussiana esférica.

1) para pontos fora da casca (isto é, a distâncias radiais r > R): superfície gaussiana S é uma esfera de raio r envolvendo a casca. Como as linhas de força apontam radialmente para fora, o campo elétrico em todos os pontos da esfera é paralelo ao elemento de área vetorial dA. Logo

Em todos os pontos da esfera o campo elétrico tem o mesmo módulo (simetria esférica), logo o campo é constante enquanto integramos sobre a superfície S de área A = 4πr2. O fluxo elétrico pela superfície esférica S será:

Pela lei de Gauss:

 Isolando o campo E



Ou seja, o campo elétrico para pontos fora da casca é o mesmo que seria obtido se toda a carga da casca estivesse concentrada em seu centro.
2) para pontos dentro da casca (isto é, a distâncias radiais r < R): o fluxo elétrico é o mesmo do caso anterior, pois a gaussiana é novamente uma esfera de raio r (só que dentro da casca)


Pela lei de Gauss:


Como q = 0 dentro da casca, Campo Elétrico=0 .

 

 
         


 
Vejamos o seguinte aplicativo:

Figura 5: Aplicativo para visualização das superfícies esféricas.
Nele é possível observar os diferentes tipos de carga e as linhas de campo resultantes. Também é possível aumentar a força do campo e densidade de linhas.

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