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O Cálculo do Campo Elétrico a Partir do Potencial Elétrico 

distribuições lineares, superficiais e volumétricas de carga O potencial definido na Eq.4.13 é nulo para pontos infinitamente 

4.8 O Cálculo do Campo Elétrico a Partir do Potencial Elétrico 

Já  discutimos  nas  seções  acima  que  podemos  calcular  o  potencial  se  conhecemos  o  campo  elétrico    em  qualquer  ponto  P  do  espaço.  Nesta  seção  mostraremos  que  podemos  determinar    se  conhecemos  . Considere V em coordenadas cartesianas, V=V(x,y,z) em qualquer  ponto do espaço. Da Eq.4.10 temos 

· .       (4.20)    A  igualdade  entre  estas  duas  integrais  leva  à  igualdade  entre  os  integrandos para os limites dados:  · .       (4.21)    Escrevendo    e    encontramos que  .   

Suponha  que  o  deslocamento  se  dá  paralelamente  ao  eixo  x 

(dy=dz=0)  teremos  –   ou  / ,   . 

Como  V=V(x,y,z)  devemos  tratar  as  derivadas  como  derivadas  parciais. 

,        ,        ,      (4.22)   

 

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que  são  as  componentes  de        em  termos  de  .  Podemos 

escrever o campo elétrico como 

V,      (4.23)   

onde  dizemos  que  o  campo  elétrico  é  o  gradiente  do  potencial  elétrico. O gradiente do potencial ( V) aponta na direção de maior  crescimento  do  potencial  com  a  posição.  Dessa  maneira  o  sentido  de   é oposta ao do gradiente.  

 

4.9 – Superfície Equipotencial 

Linha  de  campo  ajuda‐nos  na  visualização  dos  campos  elétricos.  Semelhantemente, o potencial em vários pontos de um campo elétrico  pode  ser  visualizado  por  superfícies  equipotenciais.  Este  conceito  é  análogo  ao  conceito  de  curva  de  nível  usado  em  topografia.  Em  um  mapa  topográfico,  uma  superfície  equipotencial  é  uma  superfície  tridimensional  em  que  o  potencial  elétrico,  V,  tem  o  mesmo  valor  em  qualquer  ponto  desta.  Se  uma  carga  de  prova  q0  é  deslocada  de  um  ponto  para  outra  desta  superfície  equipotencial  sua  energia  potencial  permanecerá a mesma, ou seja, a força elétrica que atua em q0 devido  ao  campo  (fonte  do  potencial)  não  realiza  trabalho  líquido  na  mesma  superfície  equipotencial.  Conclui‐se  então  que  o  campo  eletrostático 

 é sempre perpendicular à superfície de uma equipotencial. Além 

disso,  duas  superfícies  equipotenciais  não  se  cruzam,  pois  significaria  que podemos associar dois campos elétricos resultantes a este ponto de  cruzamento,  situação  não  física.  As  linhas  de  campo  são  curvas,  enquanto  as  equipotenciais  são  superfícies  curvadas.  No  caso  especial  do  campo  elétrico  uniforme  as  linhas  de  campo  são  linhas  retas,  paralelas  igualmente  espaçadas,  enquanto  as  equipotenciais  são  superfícies planas perpendiculares às linhas de campo. 

A  Fig.4.8  mostra  três  arranjos  de  cargas  elétricas.  As  linhas  de  campo  possuem  setas  orientadas  no  plano.  As  curvas  que  interceptam  as  linhas  de  campo  são  as  seções  transversais  das  superfícies  equipotenciais  tridimensionais.  Nas  regiões  onde  o  módulo  de    é 

 

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Figura 4.8 :  

Esta conclusão pode ser tirada da relação entre o campo e o potencial:  V.  Uma  outra  observação  importante  é  a  de  que    não 

precisa  ser  constante    para  todos  os  pontos  de  uma  superfície  equipotencial;  o  caso  em  que  isto  acontece  é  o  do  capacitor  de  placas  paralelas. 

• Superfície Equipotencial e Condutores 

Um  importante  teorema  acerca  de  superfícies  equipotenciais  é: 

No  equilíbrio  eletrostático  a  superfície  de  um  condutor  é  uma  equipotencial. Como   é sempre perpendicular a uma equipotencial 

e  nulo  dentro  do  condutor  em  equilíbrio  eletrostático,  nós  podemos  provar  este  teorema  argumentando  que  quando  todas  as  cargas  estão  em  repouso,  o  campo  elétrico  fora  deve  ser  perpendicular  em  cada  ponto  da  superfície  do  condutor  pois  do  contrário  existiriam  cargas  se  movendo  sobre  sua  superfície,  o  que  violaria  a  condição  de  equilíbrio.  Outro teorema acerca de condutores, que pode ser provado com o uso  da  lei  de  Gauss  é:  No  equilíbrio  eletrostático,  se  um  condutor  possui 

uma  cavidade  interna  e  se  nenhuma  carga  está  presente  dentro  do  condutor,  então  não  pode  existir  carga  em  nenhum  ponto  dessa  superfície interna desta cavidade. 

   

 

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4.10 – Problemas Propostos 

Problema  1‐  No  movimento  de  A  para  B  (figura  4.4)  ao  longo  de  uma 

linha de campo elétrico, o campo realiza 3,94 x 10‐19 J de trabalho sobre  um elétron. Quais são as diferenças de potencial elétrico: (a) VB ‐ VA; (b)  VC –VA; (c) VC – VB?  R.: 2,46 Volts; 2,46 Volts; zero                        Problema  2 ‐A densidade de carga de um plano infinito é σ=0,10  mC/m2. Qual é a distância entre as superfícies eqüipotenciais cuja  diferença de potencial é de 50 V?  R.: 8,85 mm 

Problema  3‐    Duas  grandes  placas  condutoras,  paralelas  entre  si  e 

afastadas por uma distância de 12 cm, têm cargas iguais e sinais opostos  nos faces que se confrontam. Um elétron colocado no meio da distância  entre  as  duas  placas  experimenta  uma  força  de  3,9  x  10‐15  N.  (a)  Determine o campo elétrico na posição do elétron; (b) qual é a diferença  de potencial entre as placas?  R.: 2,44 x 104 N/C; 2928 Volts      Figura 4.9  

 

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Problema 4 ‐ Um anel de raio R, carregado positiva e uniformemente, é 

colocado  no  plano  yz,  com  seu  centro  na  origem  do  sistema  de  coordenadas. (a) Construa um gráfico do potencial V em pontos do eixo  x,  em  função  de  x.  (b)  Construa,  no  mesmo  diagrama,  um  gráfico  da  intensidade do campo elétrico E. 

 

Problema  5  ‐    Uma  esfera  metálica  de  raio  Ra  apóia‐se  sobre  um  pedestal isolante, no centro de uma esfera metálica oca de raio interno  Rb.  Existe  uma  carga  +q  sobre  a  esfera  interna  e  uma  carga  –q  sobre  a  externa. (a) Mostre que a ddp entre as esferas é  4 1 1   (c) Mostre que a intensidade do campo elétrico em qualquer ponto  entre as esferas é  1 1 1    

Problema  6  ‐  (a)  Mostre  que  1  N/C  =  1  V/m.  (b)  Estabelece‐se  uma 

diferença  de  potencial  de  2000  V  entre  duas  placas  paralelas  no  ar.  Supondo  que  o  ar  se  torna  eletricamente  condutor  quando  a  intensidade  do  campo  elétrico  ultrapassa  3  x  106  N/C,  qual  a  menor  separação possível entre as placas? 

Problema 7 – Um campo elétrico uniforme aponta na direção positiva do  eixo y. Considere dois pontos no eixo y, A e B, nas posições y=2 m e y=6  m,  respectivamente.  (a)  A  diferença  de  potencial    Vb‐Va  é  positiva  ou  negativa? (b) Se Vb‐Va=2x104V qual é a intensidade do campo elétrico?    4.11.‐Referências bibliográficas  Livro Texto  HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; KRANE, K. S.  Física. V. 3, 4. ed. Rio de  Janeiro: LTC, 1996.   

 

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Bibliografia complementar  HEWITT, Paul G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.  TIPLER, P. Física 3. 4. ed. Rio da Janeiro: Guanabara Dois, 1999.  NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica 3: mecânica. São Paulo:  Edgard Blücher, 1996.  SERWAY, R. A. Física para cientistas e engenheiros: com Física Moderna.  V. 3. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1997.  4.12‐Web‐bibliografia  http://br.geocities.com/saladefisica3/labortório.htm   http://www.adorofisica.com.br/comprove/mecanica/mec_cine_vetor.ht ml    

 

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UNIDADE 5 

CAPACITÂNCIA E CAPACITORES 

  RESUMO   

Nesta  unidade  apresentaremos  o  conceito  de  capacitância  e  a  importância  dos  capacitores  como  dispositivos  de  armazenamento  de  energia. Discutiremos o processo de carga e suas associações. 

 

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Sumário 5 Capacitância e Capacitores Paulo Henrique Ribeiro Barbosa  5.1  Definindo Capacitor  75  5.2  Energia Armazenada em um Capacitor  78  5.3  Associação de Capacitores  81  5.4  Capacitores com Dielétricos  84  5.5  Problemas Propostos  85  5.6  Referências bibliográficas  87  5.7  Web‐bibliografia  87 

 

   

 

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Figura 5.1: Conjunto de duas placas condutoras formando um capacitor. 

5.1‐ Definindo Capacitor 

Um  capacitor  em  sua  forma  mais  simples  é  compreendido  de  dois  condutores,  normalmente  chamados  de  “placas”;  quando  o  capacitor  está  carregado,  as  placas  têm  carga  de  mesmo  módulo,  mas  de  sinais  opostos  como  mostrado  na  Fig.  5.1(a).  Esta  configuração  é  facilmente  produzida  aterrando  uma  das  placas  (potencial  zero)  e  carregando  a  outra;  isto  tem  o  efeito  de  induzir  uma  carga  de  sinal  oposto  na  placa  aterrada (ver Fig. 5.1(b)). O processo de carregamento também pode ser  realizado  ligando  cada  uma  das  placas  aos  terminais  de  uma  bateria  e  depois de carregada desconectando‐as, as placas ficarão carregadas com  cargas  de  sinais  opostos,  mas  de  mesmo  módulo.  Em  diagramas  de  circuitos representaremos um capacitor pelo símbolo  . 

Por  causa  da  interação  mútua  entre  as  cargas  de  sinais  opostos  das  placas,  as  cargas  se  distribuem  nas  superfícies  dos  condutores  de  tal  forma  que  elas  ficam  confinadas  àquelas  regiões  dos  condutores  mais  próximas entre si. Dessa forma o fluxo elétrico da placa positiva para a  placa negativa fica confinado principalmente ao espaço entre as placas.  O  campo  elétrico  entre  as  placas  deve  ser  tal  que  cada  uma  é  uma  superfície  equipotencial  e,  portanto,  as  linhas  de  campo  próximas  às  superfícies do condutor são perpendiculares à superfície. 

Suponha  que as cargas nas placas do  capacitor sejam +Q e  –Q e que a  correspondente  diferença de potencial entre as placas seja V. Suponha  que a magnitude das cargas nas placas está aumentando por um fator k, 

 

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Figura 5.2: Processo de carga de um capacitor por uma bateria 

Istoé  +kQ  e  –kQ,  e  que  portanto    cada  elemento  de  superfície  do  condutor tem sua carga aumentada de δq para k(δq). Como o potencial  elétrico  em  qualquer  ponto  devido  a  um  elemento  de  carga  é  diretamente proporcional a δq, o potencial elétrico em qualquer ponto  deve aumentar por um fator k também. Isto mostra que a diferença de  potencial entre as placas de um capacitor é diretamente proporcional á  quantidade de carga em cada placa do capacitor, isto é,                ou      A constante de proporcionalidade, que é uma propriedade do capacitor  particular  envolvido,  é  chamada  de  capacitância  do  capacitor  e  é  definida como 

.       (5.1)  A unidade de capacitância no Sistema Internacional é o coulomb por volt  : 1C/V é chamado de 1 farad=1F. 

Vamos agora olhar com mais detalhe o processo de carregamento  do  capacitor.  A  Fig.5.2  mostra  as  duas  placas  de  um  capacitor  conectadas por meio de um fio condutor aos terminais de uma bateria.  Como  acontece  o  processo  de  carregamento?  E  como  estão  relacionadas a diferença de potencial da bateria, ΔVbat, com a diferença  de  potencial,  ΔV, entre  as  placas  do  condutor?  A  Fig.5.2(a)  mostra  o 

 

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capacitor pouco depois que este é ligado à bateria e antes que o mesmo  esteja totalmente carregado.  A “escada rolante de cargas” da bateria está movendo cargas de  uma placa para outra, e é este trabalho feito pela bateria que carrega o  capacitor. A diferença de potencial entre as placas do capacitor, ΔV, está  constantemente  crescendo  à  medida  que  ocorre  a  separação  contínua  de cargas. 

Mas  este  processo  não  pode  continuar  para  sempre.  O  crescimento de cargas positivas na placa superior exerce força repulsiva  nas  novas  cargas  positivas  que  estão  chegando  pela  escada  rolante  de 

cargas   e a carga na placa superior atinge um limite e nenhuma carga 

será  mais  aceita  na  placa.  Neste  instante  a  diferença  de  potencial  na  bateria  se  iguala  a  diferença  de  potencial  entre  as  placas  do  capacitor,  ΔVbat= ΔV (ver Fig5.2b).  

 

5.2 ‐ Energia Armazenada em um Capacitor 

Se  as  placas  de  um  capacitor  são  ligadas  por  um  fio  de  determinada  resistência,  uma  corrente  é  estabelecida  e  o  capacitor  é  descarregado.  Obviamente,  a  energia  está  armazenada  no  capacitor  carregado  –  a  energia  armazenada  é  liberada  e  aparece  na  forma  de  calor no fio à medida que o capacitor vai sendo descarregado. A energia  armazenada é igual ao trabalho realizado para carregá‐lo. 

Seja    o  trabalho  para  mudar  a  carga  do  capacitor  de  q  para  (q+dq), isto é, a energia no capacitor aumentará de  , onde V é  a  diferença  de  potencial  entre  as  placas  do  capacitor  quando  as  placas  têm carga q. Assim a energia armazenada no capacitor, isto é, o trabalho  feito para carregar o capacitor de zero a uma carga Q, é dada por  

,      (5.2)  ou, em termos da diferença de potencial entre as placas,   ,  

 

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Figura 5.3: Capacitor de placas paralelas de área A e separação d 

         entre as placas. 

O valor de C para um capacitor particular depende da forma geométrica  e  da  disposição  das  placas,  bem  como  das  propriedades  elétricas  do  meio isolante em que as placas estão imersas. Quando a geometria das  placas  exibe  um  grau  suficiente  de  simetria  é  relativamente  simples  obter  uma  expressão  para  a  capacitância  do  sistema.  Vejamos  alguns  exemplos. 

( a) Capacitor de Placas Paralelas 

Os  condutores  de  um  capacitor  de  placas  paralelas  são  placas  planas uniformemente separadas como indicado na Figura 5.3. Seja A a  área  de  cada  placa  e  d  a  separação  entre  elas.  Se  a  área  das  placas  é  suficientemente  grande  (dimensões  da  placa  >>d),  a  carga  Q  será  uniformemente distribuída  sobre as superfícies das placas e, portanto, o  campo  elétrico  entre  as  mesmas  será  uniforme  (efeitos  de  bordas  desprezíveis).  Se  o  campo  elétrico  (constante)  entre  as  placas  do  capacitor é E, o módulo da diferença de potencial entre as placas é dado  por  

  e portanto  

        5.4  

Mas  o  campo  elétrico  entre  as  placas  de  um  capacitor  de  placas  paralelas  é  .  Substituindo  este  valor  do  campo  elétrico  na  Eq.(5.4) temos, 

 

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O capacitor de placas é importante porque a sua análise é direta e 

porque este produz um campo elétrico uniforme. Entretanto capacitores  e  capacitâncias  não  estão  restritos  a  condutores  planos  e  paralelos.  Quaisquer  dois  eletrodos,  independente  da  sua  forma,  podem  formar  um capacitor. 

 

(a) Capacitor Cilíndrico 

Capacitores são usados em qualquer circuito eletrônico e a forma  mais  comum  é  a  cilíndrica.  A  Figura  5.4  mostra  um  capacitor  cilíndrico  que consiste de dois cilindros coaxiais, de raios a e b e comprimento L.  Considere que o espaço entre os cilindros é vazio (ε0) e que os cilindros  sejam  suficientemente  longos  de  forma  que  o  campo  elétrico  entre  os  mesmos é radial. Suponha que o cilindro interno tem uma carga +Q e o                    externo uma carga –Q. Do capítulo anterior temos que o campo elétrico  entre as placas de um capacitor cilíndrico é  . A diferença  de potencial entre os cilindros é dada por  · ln  .  Portanto a capacitância é dada por    .      (5.6).  (b) Capacitor Esférico    Figura 5.4: Capacitor cilíndrico. 

 

82 

Uma  esfera  metálica  de  raio  R1  que  está  dentro  de  uma  esfera 

metálica  oca  de  raio  R2  e  concêntrica  a  esta,  constitui  um  capacitor.  Para  calcular  a  capacitância  necessitamos  da  diferença  de  potencial  entre  as  esferas,  que  pode  ser  obtida  conhecendo‐se  o  campo  elétrico  entre  as  esferas, 

̂ e substituindo na expressão:    ̂ · ̂          (5.7)  A capacitância é então dada por   4 ,      (5.8)  mostrando mais uma vez que a capacitância independe da carga  armazenada no capacitor.                            5.3–Associação de Capacitores 

Em  muitas  aplicações  práticas  em  virtude  da  não  disponibilidade,  dois  ou mais capacitores precisam ser associados (combinados) para produzir  uma  determinada  capacitância  com  o  fim  de  atender  a  uma  determinada  especificação  ou  necessidade.  Muitas  combinações  são  possíveis, mas as combinações mais básicas são a associação em série e  a  associação  em  paralelo,  que  descreveremos  abaixo.  Antes  disso  é 

 

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importante não confundir os termos distintos “capacitores paralelos” e 

“capacitor  de  placas  paralelas”.  O  primeiro  se  refere  a  como  dois  ou  mais  capacitores  podem  se  conectar,  enquanto  o  último  se  refere  a  como um capacito é construído. 

 

(a) Associação em Paralelo 

Na Figura 5.6 mostramos um arranjo de dois capacitores em paralelo ( as  duas  placas  positivas  estão  conectadas  entre  si  formando  uma  equipotencial  e  as  placas  negativas  formando  outra  equipotencial).  Dessa  forma  observa‐se  que  todos  capacitores  (ou  elementos  de  um  circuito)  estão  submetidos  a  uma  mesma  diferença  de  potencial,  V,  estes  estão  associados  em  paralelo.  As  cargas  Q1  e  Q2  nas  placas  não  precisam  ter  o  mesmo  valor  e  devem  seguir  para  os  respectivos  capacitores independentemente umas das outras “bombeadas” por uma  bateria,  cujos  valores  são:      .  A  carga  total  da  combinação ou a carga equivalente do capacitor é dada por   .                 

Daí  extrai‐se  a  capacitância  equivalente,  C,  da  associação  de  dois  capacitores em paralelo 

.       5.9   Estendendo  este  raciocínio  para  uma  associação  de  N  capacitores  em  paralelo têm‐se 

 

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.        5.10  

 

(b) Associação em Série 

A  Figura  5.7  mostra  dois  capacitores  combinados  em  série  (um  após  o  outro).Se  os  capacitores  estão  inicialmente  descarregados,  observa‐se  que  após  a  aplicação  de  uma  diferença  de  potencial  entre  as  extremidades da associação as placas dos mesmos adquirem a carga de  mesmo  módulo(ver  Fig.5.7).  Resumindo:  “Capacitores  associados  em  série têm suas placas carregadas com cargas de mesmo módulo”. Assim  ao atravessar cada par de placas identifica‐se as seguintes diferenças de  potencial:           .  A  diferença  de  potencial  total,  na  travessia  dos  dois  capacitores  é  .    Substituindo  as  expressões de V1 e V2 tem‐se 

1 1 .  Como  /  , onde C é a capacitância equivalente temos  1 1 1 .        5.11               Estendendo esta relação para um número N qualquer de capacitores em  série temos,  1 1 .       5.12   Foi visto então que para uma associação de capacitores em série todas  as placas dos capacitores da associação têm o mesmo módulo de carga,  Figura 5.7: Associação de capacitores em série 

 

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porém, a diferença de potencial em cada unidade capacitiva é diferente. 

A  soma  das  diferenças  de  potencial  em  cada  capacitor  equivale  a  diferença de potencial total, V. 

Exemplo:  

5.4 – Capacitores com Dielétricos 

Materiais  não  condutores  como  o  ar,  vidro,  papel  ou  a  madeira,  são  chamados  de  dielétricos  ou  isolantes.  Se  o  espaço  entre  as  placas  de  capacitor  é  preenchido  por  um  dielétrico,  a  capacitância  do  capacitor  aumenta por um fator k, conforme observação de Michael Faraday em  1837. A justificativa para este fenômeno é que o campo elétrico entre as  placas  do  capacitor  é  enfraquecido  pelo  dielétrico,  bem  como  sua  voltagem.  Como  conseqüência,  a  capacitância  do  capacitor,  Q/V,  é  aumentada  pelo  fator  k.  O  fator  adimensional  k  é  característico  do  material dielétrico e é denominada constante dielétrica 

A energia armazenada em um capacitor de placas paralelas preenchido  com dielétrico é  

.       (5.12)  Podemos expressar a capacitância C em termos da área e separação das  placas,  e  a  diferença  de  potencial  V  em  termos  do  campo  elétrico  e  separação  entre as placas, para obter  .  A quantidade Ad é o volume entre as placas do capacitor que contém o  campo elétrico. Assim, a energia por unidade de volume entre as placas  do capacitor é   .       (5.13) 

Exemplo:  Dois  capacitores  de  placas  paralelas,  cada  um  tendo  uma 

capacitância  C1=C2=2  μF,  estão  conectados  a  uma  bateria  de  12  v.  Encontre  (a)  a  cada  em  cada  capacitor  e  (b)  a  energia  armazenada  em  cada capacitor. 

  Os  dois  capacitores  são  então  desconectados  da  bateria  e  um  dielétrico de constante κ=2.5 é introduzido entre as placas do capacitor  C2.  Nesta  nova  situação,  encontre  (c)  a  diferença  de  potencial  entre  as  placas do capacitor, e a energia total entre as placas do capacitor. 

 

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A carga Q e a energia U podem ser encontradas da capacitância de cada 

capacitor  C  e  da  voltagem  V.  Depois  que  os  capacitores  são  removidos  da bateria, a carga total deve permanecer a mesma. Quando o dielétrico  é introduzido entre as placas sua capacitância deve mudar. O potencial  da  combinação  deve  ser  encontrado  da  carga  total  e  da  capacitância  equivalente. 

(a) A  carga  em  cada  capacitor  é  encontrada  de  sua  capacitância  e  de sua voltagem: Q=CV=(2μF)(12V)=24 μC. 

(b) Energia  armazenada  em  cada  capacitor:  U= CV2=144  μJ.  Nos  dois capacitores é 288 μJ. 

(c) O potencial da combinação é : V= . A capacitância equivalente  a  pós  a  introdução  do  dielétrico  é  Ceq=C1+κC2=7μF.  Dessa  a  voltagem total é  V= = µ

µ 6.86 V. 

(d) A carga em cada capacitor é Q1=C1V=13.7 μC e Q2=C2V=34.3 μC.  A energia armazenada em cada capacitor é  

U1= C V 47.1µJ  e  C V 118µJ.  A  soma  das  energia é U=U1+U2=165μJ. 

 

5.5 – Problemas Propostos