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FÍSICA Iº BIMESTRE 3ª SÉRIE ENSINO MÉDIO PROFESSOR(A): FERNANDO COLARES

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Academic year: 2022

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Texto

(1)

Potencial elétrico é uma grandeza criada para descrever e analisar situações físicas em campos elétricos.

• São grandezas escalares

Desse modo é possível definir a grandeza Potencial elétrico, ou simplesmente Potencial, como a energia potencial elétrica por unidade de carga elétrica.

Nessa relação:

q V = E

P

• EP é a energia potencial elétrica da carga elétrica medida (Joule);

• Q é a carga elétrica medida (Coulomb);

• V é o potencial elétrico medido (volt).

A unidade do potencial elétrico, J/C, recebe no SI o nome de VOLT, de símbolo V, em homenagem ao físico Italiano Alessandro Volta (1745- 1827), o inventor da Pilha. Então:

1 volt = 1V = 1 J/C TRABALHO REALIZADO DA FORÇA ELÉTRICA NO CAMPO ELÉTRICO

A força elétrica é uma força conservativa, pois todo trabalho executado para vencê-la não é perdido, ficando armazenado sob forma de energia.

FÍSICA

Iº BIMESTRE

3ª SÉRIE – ENSINO MÉDIO

PROFESSOR(A): FERNANDO COLARES

Conteúdo:

ELETROSTÁTICA (REVISÃO)

Ficha nº 01 / 23.03.20

(2)

Observação: O trabalho realizado pela força resultante no deslocamento de uma carga puntiforme q entre dois pontos de um campo elétrico qualquer não depende da trajetória seguida pela carga, mas depende apenas do ponto de partida e chagada.

EXPRESSÃO DO TRABALHO DA FORÇA ELÉTRICA:

EXPRESSÃO DO TRABALHO DA FORÇA ELÉTRICA EM FUNÇÃO DO CAMPO ELÉTRICO.

d E q . .

 =

Observação: sempre válida para campo elétrico uniforme EXPRESSÃO DA ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA

A

P

d

q Q E K

A

.

= .

B

A

P

P

AB = EE

0bservação:

• A expressão obtida anteriormente nos permite calcular a energia potencial elétrica de q, quando colocada no campo elétrico gerado pela carga Q.

• A mesma expressão é usada para se calcular a energia potencial elétrica de Q, quando colocada no campo elétrico gerado pela carga q.

• Naturalmente, as cargas Q e q, quando uma em presença da outra possuem energia potencial. A energia potencial elétrica do par de cargas Q e q também é calculada com o auxílio da mesma expressão obtida anteriormente.

POTENCIAL ELETROSTÁTICO CRIADO POR UMA PARTÍCULA ELETRIZADA COM CARGA Q

d Q V K .

=

(3)

OBSERVAÇÃO:

• O potencial elétrico associado a um ponto P do campo elétrico não depende da particular carga de prova q colocada naquele ponto P, depende da carga Q geradora do campo elétrico.

• O valor algébrico do potencial elétrico tem mesmo sinal da carga elétrica que o gerou:

Q > 0 → V > 0 e Q < 0 → V < 0

• Diagramas cartesianos (potencial x distância), a função seria representada por uma hipérbole equilátera, simétrica à bissetriz do quadrante, como ilustrado abaixo:

POTENCIAL ELETROSTÁTICO CRIADO POR VÁRIAS CORPOS ELETRIZADOS

DIFERENÇA DE POTENCIAL (ddp)

A diferença de potencial, ddp, também chamada de voltagem ou tensão, é uma das grandezas mais importante da eletricidade. É utilizada para explicar o movimento das cargas elétricas.

A diferença de potencial entre os pontos A e B é indicada por VA – VB e representada pela letra U.

B

A V

V U = −

RELAÇÃO ENTRE TRABALHO E DDP

U =q AB

A diferença de potencial elétrico, VA - VB, entre dois pontos A e B, de um campo elétrico é obtida dividindo-se o trabalho realizado pela força elétrica pelo valor da carga deslocada.

(4)

DIFERENÇA DE POTENCIAL NUM CAMPO ELÉTRICO UNIFORME

d E U AB = .

PROPRIEDADES DO POTENCIAL ELÉTRICO a) Carga de prova q positiva (q > 0)

B A

B A

B A AB

V V

V V q

V V q

=

0 0

0 )

 (

Conclusão:

cargas elétricas positivas, abandonadas a partir do repouso em um campo elétrico e sujeito apenas a força elétrica, deslocam-se espontaneamente para pontos de menor potencial elétrico.

b) Cargas de prova q negativa (q < 0)

B A

B A

B A AB

V V

V V q

V V q

=

0 0

0 )

 (

Conclusão:

cargas elétricas negativas, abandonadas a partir do repouso em um campo elétrico e sujeito apenas à força elétrica, deslocam-se espontaneamente para pontos de maior potencial elétrico.

OBSERVAÇÕES:

• Em qualquer um dos casos analisados:

AB = EP(A) – EP(B) => EP(A) > EP(B)

ou seja, no momento espontâneo de cargas elétricas em um campo elétrico, a energia potencial elétrica da carga diminui.

• Pelas deduções feitas acima, podemos concluir que o potencial é decrescente no sentido da linha de força.

• Em decorrência da observação anterior, podemos também concluir que as linhas de força de um campo elétrico não podem ser linhas fechadas.

POTENCIAL ELETROSTÁTICO DE UM CONDUTOR ATERRADO

POTENCIAL ELETROSTÁTICO NOS PONTOS DE UM CONDUTOR EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO Num condutor em equilíbrio eletrostático, o potencial, em qualquer ponto, é constante e igual ao da superfície.

(5)

SUPERFÍCIE EQUIPOTENCIAL

Denomina-se superfície equipotencial ao lugar geométrico dos pontos que apresentam o mesmo potencial elétrico.

A partir da definição da superfície equipotencial vamos estabelecer duas propriedades associadas a ela:

• Ao se deslocar uma carga elétrica puntiforme sobre uma superfície equipotencial, tem-se que o trabalho da força elétrica é nulo. ( = 0). Logo as linhas de forças e, consequentemente, o vetor campo elétrico são ortogonais às superfícies equipotenciais.

CÁLCULO DO POTENCIAL DE UM CONDUTOR EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO a) Potencial externo:

Para o cálculo do potencial num ponto externo, supõem-se que a carga Q seja puntiforme e localizada no centro da esfera.

d Q V ext = K .

b) Potencial na superfície:

r Q V

ext

K .

=

c) Potencial interno à esfera

A esfera condutora está em equilíbrio eletrostático; portanto, não há movimento interno de cargas no seu interior, isto é, o potencial num ponto interno é igual ao potencial num ponto da superfície.

r Q V K

V .

sup

int = =

(6)

Exercícios

01. (UNICAMP 2020) Existem na natureza forças que podemos observar em nosso cotidiano. Dentre elas, a força gravitacional da Terra e a força elétrica. Num experimento, solta-se uma bola com carga elétrica positiva, a partir do repouso, de uma determinada altura, numa região em que há um campo elétrico dirigido verticalmente para baixo, e mede-se a velocidade com que ela atinge o chão. O experimento é realizado primeiramente com uma bola de massa

m e carga q, e em seguida com uma bola de massa 2m e mesma carga q.

Desprezando a resistência do ar, é correto afirmar que, ao atingir o chão, a) as duas bolas terão a mesma velocidade.

b) a velocidade de cada bola não depende do campo elétrico.

c) a velocidade da bola de massa m é maior que a velocidade da bola de massa 2m.

d) a velocidade da bola de massa m é menor que a velocidade da bola de massa 2m.

02. (IME 2020)

Uma partícula com carga positiva viaja em velocidade constante até aproximar-se de uma esfera oca com carga negativa uniformemente distribuída em sua casca. Ao encontrar a esfera, a partícula entra em seu interior por um pequeno furo, passa pelo centro e deixa a esfera por um segundo furo, prosseguindo o movimento. Bem distante da esfera, a partícula se aproxima de uma placa metálica plana de grande dimensão, com carga negativa uniformemente distribuída pela placa, conforme esquema da figura.

Observações:

- a carga da partícula não redistribui a carga da casca esférica e nem da placa plana; e - a distribuição das cargas da casca esférica e da placa plana não interferem entre si.

O gráfico que melhor exprime a velocidade da partícula em função de sua posição é:

a)

b)

c)

d)

e)

(7)

03. (UERJ 2019) Na ilustração, estão representados os pontos I, II, III e IV em um campo elétrico uniforme.

Uma partícula de massa desprezível e carga positiva adquire a maior energia potencial elétrica possível se for colocada no ponto

a) I b) II c) III d) IV

04. (UERJ 2018) O esquema abaixo representa as esferas metálicas A e B, ambas com massas de 103kg e carga elétrica de módulo igual a 106C. As esferas estão presas por fios isolantes a suportes, e a distância entre elas é de 1 m.

Admita que o fio que prende a esfera A foi cortado e que a força resultante sobre essa esfera corresponde apenas à força de interação elétrica.

Calcule a aceleração, em m s ,2 adquirida pela esfera A imediatamente após o corte do fio.

Dado: constante eletrostática do meio, k= 9 10 N m92C2.

05. (ENEM (LIBRAS) 2017) Um pente plástico é atritado com papel toalha seco. A seguir ele é aproximado de pedaços de papel que estavam sobre a mesa. Observa-se que os pedaços de papel são atraídos e acabam grudados ao pente, como mostra a figura.

Nessa situação, a movimentação dos pedaços de papel até o pente é explicada pelo fato de os papeizinhos a) serem influenciados pela força de atrito que ficou retida no pente.

b) serem influenciados pela força de resistência do ar em movimento.

c) experimentarem um campo elétrico capaz de exercer forças elétricas.

d) experimentarem um campo magnético capaz de exercer forças magnéticas.

e) possuírem carga elétrica que permite serem atraídos ou repelidos pelo pente.

(8)

06. (PUCPR 2017) Uma indústria automotiva faz a pintura de peças de um veículo usando a pintura eletrostática, processo também conhecido como pintura a pó. Nele, a pinça de um braço robótico condutor que segura a peça é ligada a um potencial de 1kV. A pinça junto com a peça é imersa em um tanque de tinta em pó à 0 V. A diferença de potencial promove a adesão da tinta à peça, que depois é conduzida pelo mesmo braço robótico a um forno para secagem. Após essa etapa, o robô libera a peça pintada e o processo é reiniciado. A ilustração a seguir mostra parte desse processo.

A indústria tem enfrentado um problema com a produção em série: após duas ou três peças pintadas, a tinta deixa de ter adesão nas peças. Uma possível causa para tal problema é:

a) o movimento do braço robótico carregando a peça no interior da tinta gera atrito e aquece o sistema, anulando a diferença de potencial e impedindo a adesão eletrostática.

b) a ausência de materiais condutores faz com que não exista diferença de potencial entre a peça e a tinta.

c) cada peça pintada diminui a diferença de potencial até que, após duas ou três peças pintadas, ela torne-se nula.

d) quando a pinça e a peça são imersas na tinta, ambos entram em equilíbrio eletrostático, o que impede que a tinta tenha aderência sobre a superfície da peça.

e) com o tempo, a pinça acaba ficando recoberta por uma camada de tinta que atua como isolante elétrico anulando a diferença de potencial entre a peça e a tinta.

07. (UFJF-PISM 3 2017) Em uma experiência realizada em sala de aula, o professor de Física usou três esferas metálicas, idênticas e numeradas de 1 a 3, suspensas por fios isolantes em três arranjos diferentes, como mostra a figura abaixo:

Inicialmente, o Professor eletrizou a esfera 3 com carga negativa. Na sequência, o professor aproximou a esfera 1 da esfera 3 e elas se repeliram. Em seguida, ele aproximou a esfera 2 da esfera 1 e elas se atraíram. Por fim, aproximou a esfera 2 da esfera 3 e elas se atraíram. Na tentativa de explicar o fenômeno, 6 alunos fizeram os seguintes comentários:

João: A esfera 1 pode estar eletrizada negativamente, e a esfera 2, positivamente.

Maria: A esfera 1 pode estar eletrizada positivamente e a esfera 2 negativamente.

Letícia: A esfera 1 pode estar eletrizada negativamente, e a esfera 2 neutra.

Joaquim: A esfera 1 pode estar neutra e a esfera 2 eletrizada positivamente.

Marcos: As esferas 1 e 2 podem estar neutras.

Marta: As esferas 1 e 2 podem estar eletrizadas positivamente.

Assinale a alternativa que apresenta os alunos que fizeram comentários corretos com relação aos fenômenos observados

a) somente João e Maria.

b) somente João e Letícia.

c) somente Joaquim e Marta.

d) somente João, Letícia e Marcos.

e) somente Letícia e Maria.

(9)

08. (ESPCEX (AMAN) 2017) Uma partícula de carga q e massa 106kg foi colocada num ponto próximo à superfície da Terra onde existe um campo elétrico uniforme, vertical e ascendente de intensidade E=10 N C.5

Sabendo que a partícula está em equilíbrio, considerando a intensidade da aceleração da gravidade g=10 m s ,2 o valor da carga q e o seu sinal são respectivamente:

a) 103μC, negativa b) 105μC, positiva c) 105μC, negativa d) 104μC, positiva e) 104μC, negativa

09. (UFRGS) Duas partículas, separadas entre si por uma distância r, estão eletricamente carregadas com cargas positivas q1 e q2 sendo q1 = 2q2. Considere F1 o módulo da força elétrica exercida por q2 sobre q2. Nessa situação, a força elétrica entre as partículas é de:

a) atração, sendo F1 = F2

b) atração, sendo F1 = 2F2

c) atração, sendo F1 = F2/2 d) repulsão, sendo F1 = F2 e) repulsão, sendo F1 = 2F2

10. (UFRGS) Duas pequenas esferas metálicas, isoladas, idênticas e situadas no vácuo, estão inicialmente carregadas com +10 μC e -8 μC. As esferas são encostadas e, então separadas, com seus centros mantidos a 10 cm de distância um do outro. Que tipo de força eletrostática será exercida sobre essas esferas e qual o seu módulo?

a) Atrativa, de módulo igual a 0,81 N.

b) Atrativa, de módulo igual a 0,90 N.

c) Atrativa, de módulo igual a 0,70 N d) Repulsiva, de módulo igual a 0,81 N e) Repulsiva, de módulo igual a 0,90 N.

Referências

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