Lei de Gauss e Condutores em Equilíbrio Eletrostático · Fluxo Eletrico:´ Esta relacionado com o...

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Fluxo El ´ etrico Fluxo El ´ etrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores El ´ etricos Condutores El ´ etricos Carga e Campo na Sup Lei de Gauss e Condutores em Equil´ ıbrio Eletrost ´ atico Wilson Fadlo Curi 2008 Wilson Fadlo Curi Lei de Gauss e Condutores em Equil´ ıbrio Eletrost ´ atico

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Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

Lei de Gauss e Condutores em EquilıbrioEletrostatico

Wilson Fadlo Curi

2008

Wilson Fadlo Curi

Lei de Gauss e Condutores em Equilıbrio Eletrostatico

Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

Fluxo Eletrico: Esta relacionado com o numero lıquido de linhas deforca que atravessam uma superfıcie.

φe = EA1 ou φe = EA2cosθ =~E · nA2

Definicao:

φe = lim∆Ai→0 ∑i~E · n∆Ai =

R~E · n dA

onde n e o vetor unitario normal a superfıcie. Unidade: N.m2/C

Wilson Fadlo Curi

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Fluxo Eletrico: Esta relacionado com o numero lıquido de linhas deforca que atravessam uma superfıcie.

φe = EA1 ou φe = EA2cosθ =~E · nA2

Definicao:

φe = lim∆Ai→0 ∑i~E · n∆Ai =

R~E · n dA

onde n e o vetor unitario normal a superfıcie. Unidade: N.m2/C

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Exemplo: Calcular o fluxo eletrico de uma su-perfıcie esferica de raio R com uma carga pun-tiforme q em seu interior.

Solucao:

φe =I

~E · n dA =I

KqR2 dA =

KqR2 4πR2

pois ~E e perpendicular a superfıcie esferica, φe = 4πKq (q e a cargainterna a superfıcie).

Se q > 0↔ φe > 0,q < 0↔ φe < 0 eq = 0↔ φe = 0.

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Exemplo: Calcular o fluxo eletrico de uma su-perfıcie esferica de raio R com uma carga pun-tiforme q em seu interior.

Solucao:

φe =I

~E · n dA =I

KqR2 dA =

KqR2 4πR2

pois ~E e perpendicular a superfıcie esferica, φe = 4πKq (q e a cargainterna a superfıcie).

Se q > 0↔ φe > 0,q < 0↔ φe < 0 eq = 0↔ φe = 0.

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Exemplo: Calcular o fluxo eletrico de uma su-perfıcie esferica de raio R com uma carga pun-tiforme q em seu interior.

Solucao:

φe =I

~E · n dA =I

KqR2 dA =

KqR2 4πR2

pois ~E e perpendicular a superfıcie esferica, φe = 4πKq (q e a cargainterna a superfıcie).

Se q > 0↔ φe > 0,q < 0↔ φe < 0 eq = 0↔ φe = 0.

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Lei de Gauss: “em geral, num sistema de cargas eletricas, o fluxolıquido atraves de uma superfıcie fechada S qualquer e igual a 4πK vezes acarga interna lıquida (qint ) em seu interior”

φe =H~E · n dA = 4πKqint

Se a carga lıquida interna e igual a zero, o numero lıquido de linhas deforca que entram na superfıcie e igual ao numero de linhas de forca quesaem da superfıcie, logo φe = 0;

Esta lei facilita o calculo do campo eletrico, ~E , nos casos de simetriasignificativa;

Permissividade no vacuo: ε0

ε0 = 14πK = 8,85×10−12C2/N.m2

Logo: φe =H~E · n dA = qint

ε0

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Lei de Gauss: “em geral, num sistema de cargas eletricas, o fluxolıquido atraves de uma superfıcie fechada S qualquer e igual a 4πK vezes acarga interna lıquida (qint ) em seu interior”

φe =H~E · n dA = 4πKqint

Se a carga lıquida interna e igual a zero, o numero lıquido de linhas deforca que entram na superfıcie e igual ao numero de linhas de forca quesaem da superfıcie, logo φe = 0;

Esta lei facilita o calculo do campo eletrico, ~E , nos casos de simetriasignificativa;

Permissividade no vacuo: ε0

ε0 = 14πK = 8,85×10−12C2/N.m2

Logo: φe =H~E · n dA = qint

ε0

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Lei de Gauss: “em geral, num sistema de cargas eletricas, o fluxolıquido atraves de uma superfıcie fechada S qualquer e igual a 4πK vezes acarga interna lıquida (qint ) em seu interior”

φe =H~E · n dA = 4πKqint

Se a carga lıquida interna e igual a zero, o numero lıquido de linhas deforca que entram na superfıcie e igual ao numero de linhas de forca quesaem da superfıcie, logo φe = 0;

Esta lei facilita o calculo do campo eletrico, ~E , nos casos de simetriasignificativa;

Permissividade no vacuo: ε0

ε0 = 14πK = 8,85×10−12C2/N.m2

Logo: φe =H~E · n dA = qint

ε0

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Lei de Gauss: “em geral, num sistema de cargas eletricas, o fluxolıquido atraves de uma superfıcie fechada S qualquer e igual a 4πK vezes acarga interna lıquida (qint ) em seu interior”

φe =H~E · n dA = 4πKqint

Se a carga lıquida interna e igual a zero, o numero lıquido de linhas deforca que entram na superfıcie e igual ao numero de linhas de forca quesaem da superfıcie, logo φe = 0;

Esta lei facilita o calculo do campo eletrico, ~E , nos casos de simetriasignificativa;

Permissividade no vacuo: ε0

ε0 = 14πK = 8,85×10−12C2/N.m2

Logo: φe =H~E · n dA = qint

ε0

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Lei de Gauss: “em geral, num sistema de cargas eletricas, o fluxolıquido atraves de uma superfıcie fechada S qualquer e igual a 4πK vezes acarga interna lıquida (qint ) em seu interior”

φe =H~E · n dA = 4πKqint

Se a carga lıquida interna e igual a zero, o numero lıquido de linhas deforca que entram na superfıcie e igual ao numero de linhas de forca quesaem da superfıcie, logo φe = 0;

Esta lei facilita o calculo do campo eletrico, ~E , nos casos de simetriasignificativa;

Permissividade no vacuo: ε0

ε0 = 14πK = 8,85×10−12C2/N.m2

Logo: φe =H~E · n dA = qint

ε0

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Exemplo: Calcular o campo eletrico ~E a uma distancia r de um fio compridocarregado uniformemente com densidade de cargas positivas λ.

Solucao:

Toma-se um cilindro fechado de raio r e comprimentoL ao redor do fio. Devido a simetria do problema, ocampo eletrico ~E e perpendicular a superfıcie do cilin-dro.

Aplica-se a Lei de Gauss com a carga interna igual a λL:

φe =H~E · n dA =

HE dA = E

HdA = E .2πrL = qint

ε0= λL

ε0 Logo:

E = λ

2πrε0= 2K λ

r

Se o fio nao for comprido, o campo eletrico na superfıcie nao e constante.Nesse caso, apesar da Lei de Gauss ser valida, devido a falta de simetria,nao e possıvel determinar o campo eletrico como fizemos anteriormente.

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Exemplo: Calcular o campo eletrico ~E a uma distancia r de um fio compridocarregado uniformemente com densidade de cargas positivas λ.

Solucao:

Toma-se um cilindro fechado de raio r e comprimentoL ao redor do fio. Devido a simetria do problema, ocampo eletrico ~E e perpendicular a superfıcie do cilin-dro.

Aplica-se a Lei de Gauss com a carga interna igual a λL:

φe =H~E · n dA =

HE dA = E

HdA = E .2πrL = qint

ε0= λL

ε0 Logo:

E = λ

2πrε0= 2K λ

r

Se o fio nao for comprido, o campo eletrico na superfıcie nao e constante.Nesse caso, apesar da Lei de Gauss ser valida, devido a falta de simetria,nao e possıvel determinar o campo eletrico como fizemos anteriormente.

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Exemplo: Calcular o campo eletrico ~E a uma distancia r de um fio compridocarregado uniformemente com densidade de cargas positivas λ.

Solucao:

Toma-se um cilindro fechado de raio r e comprimentoL ao redor do fio. Devido a simetria do problema, ocampo eletrico ~E e perpendicular a superfıcie do cilin-dro.

Aplica-se a Lei de Gauss com a carga interna igual a λL:

φe =H~E · n dA =

HE dA = E

HdA = E .2πrL = qint

ε0= λL

ε0 Logo:

E = λ

2πrε0= 2K λ

r

Se o fio nao for comprido, o campo eletrico na superfıcie nao e constante.Nesse caso, apesar da Lei de Gauss ser valida, devido a falta de simetria,nao e possıvel determinar o campo eletrico como fizemos anteriormente.

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Exemplo: Calcular o campo eletrico ~E a uma distancia r de um fio compridocarregado uniformemente com densidade de cargas positivas λ.

Solucao:

Toma-se um cilindro fechado de raio r e comprimentoL ao redor do fio. Devido a simetria do problema, ocampo eletrico ~E e perpendicular a superfıcie do cilin-dro.

Aplica-se a Lei de Gauss com a carga interna igual a λL:

φe =H~E · n dA =

HE dA = E

HdA = E .2πrL = qint

ε0= λL

ε0 Logo:

E = λ

2πrε0= 2K λ

r

Se o fio nao for comprido, o campo eletrico na superfıcie nao e constante.Nesse caso, apesar da Lei de Gauss ser valida, devido a falta de simetria,nao e possıvel determinar o campo eletrico como fizemos anteriormente.

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;

varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;

deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;

deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA.

Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico devidoa um plano infinito uniformemente carregadocom densidade de carga σ.

Solucao:Por simetria, O campo ~E

e perpendicular ao plano;varia com o quadrado da distancia ao plano;deve ter mesmo modulo;deve ter direcoes opostas nas duas faces do plano.

Portanto, o fluxo eletrico que sai de cada face do cilindro escolhido e~E · nA = EnA, e o fluxo total (2× Area) sera de 2EnA. Sendo a carga lıquidano interior da superfıcie limitada pelo cilindro σA. Da Lei de Gauss:φtot =

HEn dA = 2EnA = qint

ε0= σA

ε0, logo

En = σ

2ε0= 2K πσ

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Exemplo: Calcular o campo eletrico a umadistancia r de uma esfera de raio R com cargapositiva uniformemente distribuıda com densi-dade volumar ρ.

Solucao:O campo eletrico devido a esfera sera perpendicular a qualquer superfıcieesferica que tomarmos para utilizarmos a Lei de Gauss, logo:

φe =I

~E · n dA = E×4πr2 =qint

ε0

ouE =

qint

4πr2ε0

Se r > R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πR3 = qtotal

Se r < R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πr3 = qtotal

r3

R3

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Exemplo: Calcular o campo eletrico a umadistancia r de uma esfera de raio R com cargapositiva uniformemente distribuıda com densi-dade volumar ρ.

Solucao:O campo eletrico devido a esfera sera perpendicular a qualquer superfıcieesferica que tomarmos para utilizarmos a Lei de Gauss, logo:

φe =I

~E · n dA = E×4πr2 =qint

ε0

ouE =

qint

4πr2ε0

Se r > R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πR3 = qtotal

Se r < R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πr3 = qtotal

r3

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Exemplo: Calcular o campo eletrico a umadistancia r de uma esfera de raio R com cargapositiva uniformemente distribuıda com densi-dade volumar ρ.

Solucao:O campo eletrico devido a esfera sera perpendicular a qualquer superfıcieesferica que tomarmos para utilizarmos a Lei de Gauss, logo:

φe =I

~E · n dA = E×4πr2 =qint

ε0

ouE =

qint

4πr2ε0

Se r > R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πR3 = qtotal

Se r < R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πr3 = qtotal

r3

R3

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Exemplo: Calcular o campo eletrico a umadistancia r de uma esfera de raio R com cargapositiva uniformemente distribuıda com densi-dade volumar ρ.

Solucao:O campo eletrico devido a esfera sera perpendicular a qualquer superfıcieesferica que tomarmos para utilizarmos a Lei de Gauss, logo:

φe =I

~E · n dA = E×4πr2 =qint

ε0

ouE =

qint

4πr2ε0

Se r > R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πR3 = qtotal

Se r < R a carga interna sera: qint = ρ× 43 πr3 = qtotal

r3

R3

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Condutores Eletricos:Gilbert classificou os materiais em eletricos e nao-eletricos (condutoresforam classificados como nao-eletricos);

Gray descobriu a conducao eletrica;

Du Fay mostrou que todos os materiais podiam ser eletrificados;

Cavendish usou a sensacao fisiologica para comparar capacidadescondutoras dos materiais;

Condutividade: medida da capacidade do material em conduzireletricidade (materiais podem ser classificados em condutores,nao-condutores e semi-condutores);

Nos materiais condutores existem “eletrons livres”, que podem sedeslocar com facilidade;

’Blindagem’: e o efeito em que os eletrons mais afastados do nucleo deum atomo sao fracamente ligados ao nucleo devido a repulsao doseletrons mais internos;

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Condutores Eletricos:Gilbert classificou os materiais em eletricos e nao-eletricos (condutoresforam classificados como nao-eletricos);

Gray descobriu a conducao eletrica;

Du Fay mostrou que todos os materiais podiam ser eletrificados;

Cavendish usou a sensacao fisiologica para comparar capacidadescondutoras dos materiais;

Condutividade: medida da capacidade do material em conduzireletricidade (materiais podem ser classificados em condutores,nao-condutores e semi-condutores);

Nos materiais condutores existem “eletrons livres”, que podem sedeslocar com facilidade;

’Blindagem’: e o efeito em que os eletrons mais afastados do nucleo deum atomo sao fracamente ligados ao nucleo devido a repulsao doseletrons mais internos;

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O numero de eletrons livres em um condutor depende do tipo dematerial (e da ordem de 1 por atomo);

Na presenca de campo eletrico externo,cargas eletricas livres nos materiais con-dutores tendem a se deslocar para a su-perfıcie externa no sentido de criar umcampo eletrico oposto (para tentar anula-lo)no interior do material;

O equilırio eletrostatico e impossıvel num condutor a menos que ocampo eletrico seja zero em todos os pontos internos;

Emissao de campo, em eletronica, e quando a forca eletrica devida aum campo externo, consegue vencer a forca de ligacao entre eletrons eo condutor e os arranca da superfıcie condutora.

Wilson Fadlo Curi

Lei de Gauss e Condutores em Equilıbrio Eletrostatico

Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

Carga e Campo na Superfıcie Condutora:No equilıbrio eletrostatico:

Qualquer carga em excesso num condutor esta na superfıcie;

O campo eletrico nas vizinhancas externas de um condutor eperpendicular a superfıcie e tem modulo σ

ε0, sendo σ a densidade

superficial de carga.

Considere uma casca esferica:

O campo eletrico e zero (En=0) na superfıcieimediatamente interior a casca esferica, pois acarga interior e zero;

Considerando uma superfıcie cilındrica,conforme mostra a figura, temos:

φtot =H~E · n dA = EnA = σA

ε0

En = σ

ε0

Wilson Fadlo Curi

Lei de Gauss e Condutores em Equilıbrio Eletrostatico

Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

Carga e Campo na Superfıcie Condutora:No equilıbrio eletrostatico:

Qualquer carga em excesso num condutor esta na superfıcie;

O campo eletrico nas vizinhancas externas de um condutor eperpendicular a superfıcie e tem modulo σ

ε0, sendo σ a densidade

superficial de carga.Considere uma casca esferica:

O campo eletrico e zero (En=0) na superfıcieimediatamente interior a casca esferica, pois acarga interior e zero;

Considerando uma superfıcie cilındrica,conforme mostra a figura, temos:

φtot =H~E · n dA = EnA = σA

ε0

En = σ

ε0

Wilson Fadlo Curi

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Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

No caso de um plano infinito carregado, vimos que o campo eletrico e ametade do valor obtido anteriormente, pois o fluxo lıquido que passapela superfıcie gaussiana e 2EnA (pelas duas bases do cilindro de areaA), logo

En =σ

2ε0

No caso de uma placa condutora expessa:

O campo devido a uma das laterais: σ

2ε0

O campo eletrico no interior da placa tem direcoesopostas e se anula;

O campo eletrico do lado de fora e resultado dacontribuicao do campo eletrico de cada lateral daplaca condutora

σ

2ε0+

σ

2ε0=

σ

ε0

Pode ser generalizado para qualquer superfıcie.

Wilson Fadlo Curi

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Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

No caso de um plano infinito carregado, vimos que o campo eletrico e ametade do valor obtido anteriormente, pois o fluxo lıquido que passapela superfıcie gaussiana e 2EnA (pelas duas bases do cilindro de areaA), logo

En =σ

2ε0

No caso de uma placa condutora expessa:

O campo devido a uma das laterais: σ

2ε0

O campo eletrico no interior da placa tem direcoesopostas e se anula;

O campo eletrico do lado de fora e resultado dacontribuicao do campo eletrico de cada lateral daplaca condutora

σ

2ε0+

σ

2ε0=

σ

ε0

Pode ser generalizado para qualquer superfıcie.

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Fluxo Eletrico Fluxo Eletrico Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Lei de Gauss Condutores Eletricos Condutores Eletricos Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga e Campo na Superfıcie Condutora Carga por Inducao

Carga por Inducao:Quando se aproxima um bastao carregado positivamente de esferascondutoras, sem toca-las, os eletrons livres se deslocam no sentido deanular o campo eletrico interno - inducao eletrostatica.

Wilson Fadlo Curi

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