Fisica Elétrica - Potencial Elétrico, Trabalho, Corrente, Equilibrio Eletrostático e afins...

Potencial em um campo, significa a quantidade de energia que poderá se convertida em função de uma posição.

Para o facil entendimento do potencial elétrico, iremos compara-los ao potencial gravitacional.

O potencial gravitacional, é dado pela expressão Epg = m.g.h, em que m é a massa, g a aceleração da gravida, e h a posição, ou altura, observa-se que g e m são constantes, então a energia potencial gravitacional varia de acordo com a altura em que o corpo se encontra. Note que a energia potencial é quando o corpo tem velocidade nula e em iminencia de movimento, ele apresenta energia acumulada porem ainda não convertida, um corpo quando entra em movimento, sendo abandonado, converte a energia potencial em energia cinética.

Da mesma forma é a energia potencial elétrica, esta energia no entanto, lida com carga e campo elétrico, a sua expressão é Epe = E.q.d, com E representando o campo elétrico uniforme, q a carga e d a posição desta carga com relação ao elemento que gera o campo. Note tambem que a carga tem energia potencial quando não esta em movimento, quando em movimento, esta energia é convertida em corrente elétrica, que sobre a ação de uma diferença de potencial entre dois pontos distintos, provoca o movimento ordenado de elétrons de forma a neutralizar esta diferença (o que seria de forma teorica, visto que em um campo elétrico esta diferença nunca é neutralizada).

Entenda a diferença de potencial e o movimento ordenado de cargas elétricas como a dinamica das massas de ar, estas se movimentam de forma a neutralizar zonas de baixa pressão, sempre se movendo de uma região com um certo potencial para outro com um potencial diferente, no caso, como estudado com relação às linhas de força, o movimento é do polo positivo para o negativo, enquanto nas massas de ar, o movimento vai das zonas de alta pressão para os de baixa pressão.

Linhas equipotenciais ao redor de uma carga geradora

Observe que os pontos P1 e P2 apresentam uma diferença de potencial, pois se encontram em diferentes posições com relação à carga geradora, no entanto, qualquer ponto na circunferencia em que P1 esta escrito é equipotencial a P1.

Quanto às fórmulas, temos que a energia potencial dividida pela carga em questão é igual à diferença de potencial, popularmente conhecida como voltagem, ou tensão. Portanto:

V = Ed (substituindo) -> V = kQd/d² -> V = kQ/d 

Sabemos também da fisica mecanica que o trabalho realizado por um corpo, é definido pela força exercida por esse corpo, multiplicado pela distancia percorrida, multiplicado pela angulação da força com relação ao sentido do movimento. Relembrando o conceito de trabalho, inferimos que o trabalho é a força que gera um movimento, ou seja, a aplicação de uma força quando gera deslocamento, gera trabalho. Em termos de cálculos temos:

T = F.d.cosx -> T = Q.E.d -> T = Q.V

lembre-se que F = Q.E

utilizemos o cosx como 1, ou seja, só há trabalho quando há deslocamento da carga final para superficies de diferentes potenciais

a distancia d que utilizaremos é o deslocamento da carga entre as superficies de diferente potencial trabalhadas

Como ja citado anteriormente, podemos dizer que quando há um ddp existe tambem um movimento ordenado de cargas elétricas, a corrente elétrica, que nada mais é do que a energia potencial convertida em cinética. Em termos de ENEM, a corrente se percorrer o corpo humano pode provocar desde contrações involuntárias até danos fatais. Quando o infeliz põe o dedo numa tomada, não é a tensão que da choque, mas sim a diferença alta de potencial, que sendo diretamente proporcional à corrente, provoca uma corrente de grande intensidade percorrendo o corpo humano com o objetivo de fechar o circuito no polo negativo da tomada, o que ocasiona o choque.

Sob a ação de um campo elétrico, e consequentemente uma ddp, e tendo os eletrons em movimento ordenado, o condutor se encontra em equilibrio, é o que acontece por exemplo quando um circuito é ligado a uma bateria.

Condutor em equilibrio eletrostático

A alguns bons anos atrás, nosso camarada Faraday propôs um principio que sugeria a sua blindagem eletrostática. Um condutor esférico, quando carregado, tende a concentrar suas cargas na parte externa, como cada carga gera um vetor campo elétrico igual (pois o raio é o mesmo) convergindo para o centro e para o exterior da esfera, o campo elétrico no seu interior é nulo. É esse o principio que justifica porque um carro é um bom abrigo contra descargas elétricas, o raio ao atingir o carro percorre toda a sua carroceria pela parte externa até neutralizar no chão. O pneu, que apesar de ser um isolante, ao ser exposto a uma ddp extremamente alta (como é a gerada pela carga do raio) tem sua rigidez dipolar rompida, e os dipolos que orientam a carga no isolante (como na eletrização por atrito por exemplo) entram em movimento ordenado como se fossem elétrons e se neutralizam no chão.

Esquema de um para-raio

Aproveitando o ensejo, destaque para a formação de descargas elétricas, o atrito entre o vapor e os cristais de gelo nas nuvens a carrega, esta carga sendo gigante, e quando fica imensa, gera um campo elétrico, e uma ddp com relação à terra, a tendencia dessa carga, sendo tão grande, é neutralizar na terra, por meio de fenomenos fisicos que se eu for explicar aqui é a ultima vez que voce acessa o blog (mas se quiser so mandar email) o raio parte da nuvem e se neutraliza no ponto mais alto e pontudo em contato com a terra, reparou que disse pontudo? É porque tambem segundo Faraday, as pontas são os lugares mais propricios acumularem cargas elétricas, baseado nesse principio foram criados os para-raios, aparelhos que ficam posicionados no alto de prédios que são meros condutores com o objetivo de atrair os raios e os conduzir até o chão para neutraliza-los, funcionando como fio-terra.

Física Elétrica - + de Campo e Força elétrica

Para o aprendizado de exatas, nada melhor do que exemplificar as aplicações, exemplificaremos aqui a teoria apresentada no post Força e Campo Elétrico de ontem.

Para entender os exercicios abaixo sugiro a leitura de Vetores

Ex.: (PUC-SP) Seis cargas elétricas puntiformes encontram-se no vácuo fixas nos vértices de um hexágono de lado l. As cargas têm mesmo módulo, |Q|, e seus sinais estão indicados na figura.

Dados: constante eletrostática do vácuo = k = 9,0 ·10 N · m/C; L = 3,0 · 10 cm; |Q| = 5,0 · 10 C.
No centro do hexágono, o módulo e o sentido do vetor campo elétrico resultante são, respectivamente:
a) 5,0 · 10 N/C; de E para B.
b) 5,0 · 10 N/C; de B para E.
c) 5,0 · 10 N/C; de A para D.
d) 1,0 · 10 N/C; de B para E.
e) 1,0 · 10 N/C; de E para B.

Resolução:
Observe que o sistema conta com 6 cargas puntiformes (massa desprezivel portanto nao lidamos com a Força Peso) fixadas no vácuo (não se movimentam e não tem influencia de fatores externos). Cada carga gerará um campo elétrico de acordo com seu sinal.
Carga A -> Vetor saindo, ou seja, na direção de D
Carga B -> Vetor entrando, ou seja, puxando na direção de B
Carga C -> Vetor entrando, ou seja, puxando na direção de C
Carga D -> Vetor saindo, na direção de A
Carga E -> Vetor saindo, na direção de B
Carga F -> Vetor entrando, puxando para F

Desenhando os vetores, temos a seguinte situação

Como estamos tratando de um hexágono REGULAR podemos dizer que a distancia entre todas as cargas são iguais, como as cargas tem um mesmo módulo, então a força que cada uma delas exerce (e consequentemente o Campo) tem tambem o mesmo módulo. Portanto

|Ea|=|Eb|=|Ec|=|Ed|=|Ee|=|Ef|

Sabemos que vetores de mesmo módulo e direção, porem em sentidos opostos se anulam, portanto:

Ea se anula com Ed

Ec se anula com Ef

Sabemos tambem que vetores com mesmo sentido e direção para encontrarmos o vetor resultante devemos somar os seus valores, portanto:

Eresultante = Eb + Ee

Sendo Eb = Ee temos: 

Eresultante = 2E -> Er = kQ/l² -> Er = 9.10^9.5.10^-5.2/(3.10^-1)²

Er = 1,0 x 10^7 no sentido de E para B ]]

Resposta correta letra E

(Mackenzie/SP) Um pequeno corpo, eletrizado com carga -Q, descreve um movimento circular uniforme, de velocidade escalar v, em torno de um outro, eletrizado com carga +Q, supostamente fixo. O raio da trajetória descrita pelo primeiro corpo é r. Se esse mesmo corpo descrever seu movimento numa trajetoria de raio 2r, sua velocidade escalar sera?

Na situação 1, temos o móvel se movendo com velocidade v com um raio r, observe que temos 2 cargas, portanto utilizaremos o conceito de força elétrica como a força que gera a curva do móvel, ou seja, força centrípeta.

A força centrípeta é dada pela formula Fc = mv²/r, a força elétrica pela Fe = kQq/d², em que d = r

Igualando a força centripeta à elétrica pois são equivalentes, e isolando a velocidade temos:

Fe = Fc -> kQq/r² = mv²/r -> v = √kQq/mr

Façamos o mesmo na segunda situação, porem utilizando o raio igual a 2r

kQq/4r² = mv'²/2r -> v' = √2kQq/4mr -> √2/2 x √kQq/mr (que é igual a v)

LOGO: v' = √2/2 x v ]]

Fisica Elétrica - Força Eletrica e Campo Elétrico

A força elétrica, assim como a mecânica, é uma grandeza vetorial, ou seja, tem módulo, direção e sentido. O que difere a Força elétrica no entando, que chamaremos de Fe, é que a força elétrica é gerada sempre com a presença de duas cargas elétricas que se atraem ou se repelem de acordo com seu sinal e o Principio de DuFay. Podemos ter Fe pela expressão:

Fe = k.Q.q/d² 

Em que: Fe = Força Elétrica (N) 

             k = Constante eletrostática no meio, no vácuo, para fins de cálculos é utilizado o valor 9x10^9

             Q e q = Respectivamente as cargas envolvidas na ação

             d = Distancia entre as cargas

É interessante observarmos que a Força Elétrica é DIRETAMENTE PROPORCIONAL às Cargas elétricas envolvidas e INVERSAMENTE PROPORCIONAL à distancia. Isso significa que quanto mais carregado um corpo estiver, maior força ele exercerá sobre outro e vice versa, segundo o principio da ação e reação. E quanto mais um corpo estiver longe do outro, menos força ele exercerá sobre este último.

Já o campo elétrico tambem é uma grandeza vetorial, porem, ela independe da ação de uma segunda carga, ou seja, o campo elétrico (E) existe com a presença de qualquer carga geradora. As expressões de campo se caracterizam como força característica do campo / grandeza que gera o campo. A força nesse caso é a nossa Fe e a grandeza é a carga q, portanto:

E = Fe/q -> E = k.Q.q/d².q -> E = kQ/d²

 A representação do campo elétrico é feita com linhas de forças, sendo que elas tem o sentido SAINDO das cargas positivas e ENTRANDO nas cargas negativas.

O campo magnético pode ser comparado ao campo gravitacional para facilitar o entendimento. Observe:

O campo gravitacional da terra é gerado pela massa da terra, segundo a seguinte fórmula Cg = GM/d² em que G, à semelhança da constante eletrostática, é a constante de gravitação universal, e M a grandeza geradora de campo, no caso a massa da terra. O campo elétrico se assemelha a ela pois não é uma força visivel como a mecanica, porem é mensuravel e empirica.

Vejamos um exemplo de aplicação:

Uma gota de óleo de massa m e carga Q é lançada em uma região de campo elétrico uniforme E, conforme mostra a figura. 

Sob efeito do campo elétrico e da gravidade, a gota move-se para cima com velocidade constante. O módulo do campo elétrico é:

A gota de óleo sofre a ação de duas forças constantes, a Força Elétrica, gerada pelo campo elétrico (note que a gota de óleo apresenta uma carga Q) e a Força Gravitacional, ou Força Peso (pois possui uma massa M), como ela está se movendo com velocidade constante, podemos afirmar que a resultante no corpo é nula. Portanto, a soma das forças atuantes no corpo deve ser igual a zero.

Fp = mg

Fe = kQq/d² ou E.q pois E = F/q

Fp - Fe = 0 | Fp = Fe | mg = Eq | E = mg/q ]]

Por Victor Marotta

Leia tambem sobre Conceitos de eletrostática e eletrizaçã

Física Elétrica - Conceitos de eletrostática e processos de eletrização

A eletricidade é um elemento muito presente em nossas vidas, e um dos assuntos mais abordados no ENEM quando se trata de Física, em geral se relacionando com o conceito de consumidor sustentável. A eletrostática, é uma introdução à Física Elétrica, e é puramente conceitual:

I - O modelo atomico define que o atomo é composto por um nucleo de protons (+) e neutrons (0), e tem em sua órbita os elétrons (-) na chamada eletrosfera

II - A menor carga elétrica associada a um próton ou elétron é denominada carga elementar, numericamente igual a 1,6 x 10^19 C. A unidade C, Coulomb é a unidade do sistema internacional para carga elétrica.

III - Principio da eletrização
III.1) Principio de Dufay (atração e repulsão)
Se os sinais das cargas são iguais ocorre repulsão, sinais diferentes se atraem

III.2) Principio da conservação da carga
Após o processo de eletrização de um corpo por outro, o somatório das cargas nos dois corpos antes é igual ao somatório das cargas depois do processo de eletrização.

IV - Processos de eletrização
Eletrização por atrito - Indicada para meios isolantes, o atrito eletriza regionalmente, ou seja, na area atritada, ocorre um movimento de cargas para a parte eletrizada, sendo estas cargas movimentadas para o atrito opostas as cargas do condutor. No final da eletrização os corpos ficam com sinais opostos.

Eletrização por contato - Ocorre em corpos condutores, com a transferencia de cargas de um corpo para o outro quando entram em contato. No final da eletrização os corpos tem quantidades de cargas proporcionais à seu tamanho (Capacitancia) e sinais iguais.

Eletrização por indução - O indutor induz ao corpo a ser carregado uma orientação de cargas semelhante ao atrito, com deslocamento destas, porem sem contato entre os corpos. No final da eletrização o corpo carregado é ligado à terra e fica com sinal oposto ao do indutor.

Por Victor Marotta