Apostila de Física 24 – Condutores em Equilíbrio Eletrostático

1.0 Condutor em Equilíbrio Eletrostático

Não ocorre movimento ordenado de cargas elétricas em relação a um referencial

fixo no condutor.

O campo elétrico resultante nos pontos internos do condutor é nulo.

Se o campo elétrico não fosse nulo, os elétrons estariam em movimento

ordenado – Contraria a hipótese de o condutor estar em equilíbrio eletrostático.

O potencial elétrico em todos os pontos internos e superficiais do condutor é

constante:

Superfície equipotencial.

Nos pontos da superfície de um condutor em equilíbrio eletrostático, o vetor

campo elétrico tem direção perpendicular à superfície.

Se o potencial elétrico não fosse constante, os elétrons estariam em movimento

ordenado, deslocando-se para regiões de maior potencial – Contraria a hipótese de o

condutor estar em equilíbrio eletrostático.

Potencial elétrico em todos os pontos de um condutor em equilíbrio eletrostático

– Potencial elétrico do condutor.

1.1 Distribuição das Cargas Elétricas em Excesso

O condutor em equilíbrio eletrostático possui um excesso de cargas elétricas

positivas ou negativas.

Cargas em excesso possuem o mesmo sinal, ocasionado repulsão – Distribuem-

se por sua superfície externa.

2.0 Campo e Potencial Elétrico

A carga ‘Q’ é puntiforme e está localizada no centro da esfera.

Para os pontos externos à esfera:

R – Raio.

d – Distância do ponto até a superfície do condutor.

Para os pontos próximos à superfície da esfera:

Para os pontos na superfície da esfera – Campo elétrico reduzido à metade:

Para os pontos internos na esfera – Campo elétrico é nulo:

O Potencial elétrico interno e superficial são iguais:

Gráficos em função da distância:

Potencial Elétrico em cargas positivas:

Potencial Elétrico em cargas negativas:

3.0 Densidade Elétrica Superficial

Densidade elétrica:

A – Área da superfície do condutor.

Para superfícies esféricas:

Poder das pontas:

Considere um condutor em equilíbrio eletrostático esférica com uma

ponta.

A região mais pontiaguda possui maior densidade superficial – Maior

concentração de cargas nessa região.

O Campo elétrico nessa região é mais intenso.

Efeito corona – Ionização doa r nas proximidades da ponta.

4.0 Terra – Potencial Elétrico de Referência

O potencial elétrico aumenta a partir da superfície terrestre no sentido

ascendente – O campo elétrico produzido pela Terra é orientado para baixo (carga

negativa).

A Terra é um grande condutor carregado e em equilíbrio eletrostático – Em

todos os seus pontos, o potencial elétrico (VT) é constante.

O potencial elétrico da Terra está presente em todas as equações acima:

VT = 0

5.0 Blindagem Eletrostática

Considere um condutor oco ‘A’ em equilíbrio eletrostático e em seu interior um

corpo ‘C’.

Campo eletrostático no interior de um condutor é nulo – O condutor ‘A’ protege

o corpo ‘C’ de qualquer ação elétrica externa.

Outro condutor ‘B’ pode induzir as cargas elétricas do condutor ‘A’, mas não as

do corpo ‘C’. – Blindagem eletrostática.

Uma tela metálica envolvendo certa região, a estrutura de um avião, um carro ou

um ônibus também são consideradas como blindagem eletrostática.

Função:

Proteção de aparelhos elétricos e eletrônicos.

Proteção de aparelhos de medidas sensíveis.

5.1 Gaiola de Faraday

Demonstra que condutores carregados eletrizam-se apenas em sua superfície

externa.

O próprio Faraday entrou em sua invenção enquanto seus assistentes eletrizavam

a gaiola.

Originou a utilização das blindagens eletrostáticas.

6.0 Eletricidade na Atmosfera

Nuvens do tipo cúmulo-nimbo resultam tempestades e são eletrizadas –

Produzem campos elétricos.

Quando esses campos elétricos aumentam, ionizam o ar, formando uma descarga

elétrica sob forma de faísca – Raios.

O raio é formado por cargas elétricas em movimento ordenado – Invisível.

A luz que acompanha o raio é consequência da ionização do ar – Relâmpago.

O elevado aquecimento do ar se expande, produzindo uma onda sonora de

grande amplitude – Trovão.

As nuvens que produzem raios apresentam cargas positivas na parte superior e

cargas negativas na parte inferior.

Os raios da nuvem para o solo apresentam cargas, em geral, negativas.

A ddp entre a parte inferior e a parte superior varia de 10 a 100 milhões de volts.

O Brasil é o país que apresenta o maior acontecimento de raios do mundo.

6.1 Formação do Raio Negativo da Nuvem para o Solo

Considere uma nuvem com cargas negativas na sua parte inferior.

No solo são induzidas cargas elétricas positivas – Formação de um campo

elétrico intenso.

Inicia-se uma descarga elétrica que parte da nuvem em direção ao solo que

segue trajetórias onduladas através das regiões de maiores condutividades – Descarga

líder.

A descarga elétrica líder é pouco visível e provoca ionização do ar – A região

entre a nuvem e o solo passa a funcionar como um condutor.

Quando a descarga líder chega próximo ao solo, outra descarga parte do solo

para o encontro da descarga líder – Descarga conectante.

A partir do instante do encontro, estabelece a descarga principal – Descarga de

retorno.

A partir daí, cargas elétricas negativas da nuvem dirigem-se ao solo.

O processo acima pode ocorrer várias vezes num tempo extremamente pequeno.

6.2 Pára-Raios

Oferece um caminho mais eficiente para as descargas elétricas atmosféricas.

Protege construções altas ou inflamáveis.

6.2.1 Pára-Raios de Franklin

Criado por Benjamin Franklin (1706-1790).

Formado por uma haste condutora verticalmente na parte mais alta da estrutura a

ser protegida.

A extremidade superior apresenta pontas de material com elevado ponto de

fusão.

A extremidade inferior é ligada, por meio de condutores metálicos, a barras

metálicas cravadas no solo.

De acordo com a ABNT, a campo de proteção oferecido pela haste é aquele

abrangido por um cone tendo um vértice de ângulo de 60° com a vertical.

6.2.2 Pára-Raios Radioativos

Há isótopos radioativos no material que constitui a ponta – Mais eficiente.

Causa problemas ambientais – Seu uso é proibido.