CAMPO ELÉTRICO

 

Desvendando o Campo Elétrico: A Dança Invisível das Cargas

A eletricidade, uma das forças fundamentais da natureza, permeia nosso cotidiano de maneiras que muitas vezes nem percebemos. Desde o funcionamento de nossos aparelhos eletrônicos até os impulsos nervosos que controlam nosso corpo, tudo é regido por princípios elétricos. No coração dessa compreensão está o conceito de campo elétrico, uma entidade invisível que descreve como as cargas elétricas interagem no espaço.

Mas o que exatamente é um campo elétrico? Imagine que você tem uma carga elétrica. Essa carga, sozinha, não precisa "tocar" outra carga para exercer uma força sobre ela. Em vez disso, ela cria uma espécie de "aura" ao seu redor – essa "aura" é o campo elétrico. É através desse campo que a influência elétrica de uma carga se propaga e afeta outras cargas que porventura estejam presentes.

Para entender melhor essa dinâmica, a física nos introduz a dois tipos conceituais de cargas quando estudamos o campo elétrico: a carga geradora (Q) e a carga de prova (q​). A carga geradora é, como o nome sugere, a responsável por criar o campo elétrico no espaço. Já a carga de prova é uma carga hipotética (muito pequena, para não perturbar o campo existente) que usamos para "sentir" e determinar a intensidade e a direção desse campo em um determinado ponto. A força que atua sobre essa carga de prova, dividida pelo valor da própria carga de prova, nos dá a intensidade do campo elétrico naquele ponto.

A beleza do campo elétrico reside em sua previsibilidade. A intensidade desse campo, gerado por uma carga puntiforme (ou seja, uma carga tão pequena que pode ser considerada um ponto no espaço), segue uma regra universal: é inversamente proporcional ao quadrado da distância em relação à carga geradora. Isso significa que, quanto mais longe você estiver da carga que gera o campo, mais fraco ele se torna, e essa diminuição é bastante rápida! Essa relação matemática é expressa graficamente por uma hipérbole não equilátera, mostrando como a intensidade do campo cai drasticamente conforme a distância aumenta.

Outro aspecto crucial para visualizar e compreender o campo elétrico são as linhas de campo elétrico (também chamadas de linhas de força). Essas linhas imaginárias nos dão uma representação visual da direção e da intensidade do campo em diferentes pontos do espaço. Elas sempre apontam para fora de cargas positivas (divergente) e para dentro de cargas negativas (convergente), e sua densidade indica a força do campo (quanto mais próximas as linhas, mais forte o campo). Uma propriedade fundamental e inegociável dessas linhas é que elas jamais se cruzam. Se elas se cruzassem, significaria que em um único ponto haveria duas direções para a força elétrica, o que é fisicamente impossível!

A compreensão do campo elétrico é a base para o estudo de fenômenos mais complexos da eletricidade e do magnetismo, abrindo portas para a inovação tecnológica e o aprofundamento do nosso conhecimento sobre o universo.

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Para uma explicação detalhada e visual sobre campo elétrico gerado por cargas puntiformes, assista ao meu vídeo completo: https://youtu.be/hb5Shkb86XQ

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1. FUVEST Como ilustrado pela foto, o gerador de Van de Graaf, equipamento popular em parques de ciência, permite o acúmulo de cargas elétricas em uma cúpula metálica. 

A distribuição de cargas na cúpula de um desses geradores, quando ninguém a toca, pode ser considerada esférica. Dois desses geradores, A e B, estão separados por uma certa distância. O gerador A contém uma carga +Q, e o gerador B, uma carga +2Q, com Q>0.

Entre as alternativas, assinale aquela que melhor corresponde ao vetor campo elétrico resultante produzido pelos geradores no ponto médio P entre eles.

link para resolução  https://youtu.be/vLLrV2DTJYA

2. PISM A diferença de potencial (d.d.p), também denominada de tensão elétrica (V), é uma grandeza física que está relacionada com o conceito de corrente elétrica. Sem essa tensão não seria possível transportar cargas elétricas, por exemplo, de uma hidrelética até as casas, as fábricas, etc. Considerando um caso simples, de uma carga Q, positiva, se movimentando ao longo do eixo x, do ponto X1 ao ponto X2, em uma região onde é definido um campo elétrico constante E com sentido de X1 a X2, qual expressão representa a diferença de potencial V2 – V1 entre X2 e X1?

A.   V2 – V1 = E(X2-X1)

B.   V2 – V1 = -QE(X2-X1)

C.   V2 – V1 = 0

D.   V2 – V1 = -E(X2-X1)

E.  V2 – V1 = QE

link para resolução  https://youtu.be/iCqzuPRDyV8

3. FGV Um próton, acelerado no vácuo, a partir do repouso, em um campo elétrico uniforme de intensidade E, percorre 4 cm de distância e adquire energia cinética iguala 3,2 × 10^-17). O valor de E é: Carga elementar = 1,6 × 10^-19 C.

A.   10 V/m.

B.   2 kV/m.

C.   500 V/m.

D.   5 kV/m.

E.   2 V/m.

link para resolução    https://youtu.be/l1RmyNcEKgk

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1. ESPCEX No triângulo retângulo isósceles XYZ, conforme desenho abaixo,em que XZ=YZ=3,0cm, foram colocadas uma carga elétrica puntiforme Qx = +6 NC no vértice X e uma carga elétrica puntiforme Qy=+8nC no vérticeY.

A intensidade do campo elétrico resultante em Z, devido às cargas já citadas é

a)     2· 105 N/C.

b)     6 · 103N/C.

c)     8 · 104N/C.

d)     104N/C. 

e)     105N/C.

Link para resolução  https://youtu.be/Bhw0u2ERrPQ

2. IME A figura mostra uma pequena esfera carregada, interligada por um cabo de comprimento L, inextensível e de massa desprezível, que gira em torno de um eixo vertical com velocidade angular ω.

O movimento da esfera ocorre numa região submetida a um campo elétrico uniforme E, conforme indicado na figura.

Dados:

• massa da esfera: m = 50 g;

• carga elétrica da esfera: q = -10 C;

• intensidade do campo elétrico: E = 0,07 N/C;

• velocidade angular do eixo: ω= 120 rpm;

• comprimento do cabo: L = 30 cm;

• aceleração da gravidade: g = 10 m/s²; e π = 10.

Observação:

• a espessura do eixo vertical é desprezível.

O ângulo ϴ formado entre o cabo e o eixo é aproximadamente:

(A) 75°            (B) 60°         (C) 45°           (D) 30°          (E) 15°

link com a resolução  https://youtu.be/xHeq_PDA9dk

3.FUVEST  Diversos processos celulares presentes no corpo humano envolvem fenômenos elétricos. Um dos mais importantes é o fato de uma membrana celular, que separa o interior celular do exterior, apresentar um acúmulo de ânions (cargas negativas) e cátions (cargas positivas) nas superfícies interna e externa, respectivamente, o que resulta no surgimento de uma diferença de potencial 𝑈 ao longo da membrana. Considere que 𝑈 cresce linearmente de 0 a U₀  na região entre 𝑥=0 e 𝑥=𝑑, como mostra a figura.

Note e adote: 1Å = 10⁻¹⁰ m Carga de um íon monovalente = 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Considere, para efeitos de cálculo desta questão, a massa de um íon como 10⁻³⁰ kg. Aceleração da gravidade: g = 10m/s².

a) Indique o sentido do vetor campo elétrico no interior da membrana (se está apontando para o interior ou para o exterior da célula). Justifique sua resposta.

b) Obtenha o módulo do campo elétrico (em V/m) considerando que a membrana tenha espessura 𝑑 = 64 Å e que U0 = 0,08 V. 

c) Supondo agora uma membrana em que o campo elétrico tenha intensidade 10^7 V/m, encontre a razão Fe/Fg em que Feé o módulo da força eletrostática e Fg é o módulo da força gravitacional, ambas exercidas sobre um íon monovalente localizado na região 0<𝑥<𝑑, conforme a figura.

link para resolução https://youtu.be/hxMGkXKC8GM

RESPOSTAS

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1.C    2.B    3.D

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.E    2.B    3.a) O vetor campo elétrico está apontando para o interior da célula, pois seu sentido sempre é para a região de menor potencial elétrico.  b) 1,25 x10⁷ V/m    c) 1,6x10¹⁷