POTENCIAL ELÉTRICO (V)
O potencial elétrico pode ser definido como sendo uma propriedade do espaço onde há um campo elétrico e onde existe a possibilidade de se ter energia potencial elétrica. Sabemos que uma carga pontual cria um campo elétrico e que o potencial elétrico depende da carga que cria esse campo e da posição relativa à carga elétrica.
Quando estudamos os conceitos de campo elétrico, vimos que ele pode ser produzido, ou melhor, criado, por uma carga elétrica puntiforme. O campo elétrico pode ser determinado em um ponto quando colocamos nele uma carga de prova e caso ela fique sujeita a uma força elétrica, dizemos que ali há campo elétrico. Determinamos a intensidade do campo elétrico através da divisão entre o valor da força e o módulo da carga de prova.
Existe na eletrostática outra grandeza similar ao campo elétrico, mas de característica escalar: o potencial elétrico. Ao invés de comparar a intensidade da força elétrica sofrida por uma carga de prova e o módulo dessa carga, o potencial elétrico, em um ponto qualquer do espaço, pode ser calculado com uma experiência bem parecida, mas na qual se divide a energia potencial elétrica de uma carga de prova pelo valor desta carga.
Como já havíamos notado no caso do campo elétrico, o potencial elétrico, num determinado ponto do espaço, não depende da carga de prova, mas, sim, da carga geradora. Se aumentarmos ou diminuirmos a intensidade da carga de prova, apenas fazemos variar proporcionalmente sua energia potencial elétrica, mantendo constante o potencial naquele ponto. Desse modo, podemos concluir que:
“Potencial elétrico é uma grandeza escalar que mede a energia potencial elétrica por unidade de carga de prova, ou seja, é a constante de proporcionalidade na razão entre energia potencial elétrica e carga de prova.”
Se lembrarmos da energia cinética estudada na parte de mecânica, podemos inferir que para um corpo adquirir energia cinética é preciso que haja uma energia potencial armazenada de alguma forma. Quando esta energia está ligada relacionada à atuação de um campo elétrico, é chamada Energia Potencial Elétrica ou Eletrostática, simbolizada por Ep.
A unidade usada para a Ep é o joule (J).
Pode-se dizer que a carga geradora produz um campo elétrico que pode ser descrito por uma grandeza chamada Potencial Elétrico (ou eletrostático).
De uma maneira análoga ao Campo Elétrico, o potencial pode ser descrito como o quociente entre a energia potencial elétrica e a carga de prova q. Ou seja:
Logo:
A unidade adotada, no SI para o potencial elétrico é o volt (V), em uma justa homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, e a unidade designa Joule por coulomb (J/C).
Agora, se tivermos várias cargas interagindo em um determinado campo temos que o potencial resultante no ponto P é dado pela soma dos potenciais parciais assim obtidos, levando em consideração os respectivos sinais, já que cada potencial será transformado em uma grandeza escalar.
vresultante = v1 + v2 … + vn
Disponível em: http://slideplayer.com.br/slide/278102/1/images/7/Potencial+el%C3%A9trico+no+campo+com+v%C3%A1rias+cargas.jpg
Um modo muito utilizado para se representar potenciais é através de superfícies equipotenciais, que são linhas ou superfícies perpendiculares às linhas de força, ou seja, linhas que representam um mesmo potencial.
Se analisarmos o caso particular onde o campo é gerado por apenas uma carga, estas linhas equipotenciais serão circunferências, pois o valor do potencial diminui uniformemente em função do aumento da distância (levando-se em conta uma representação em duas dimensões, pois caso a representação fosse tridimensional, os equipotenciais seriam representados por esferas ocas, o que constitui o chamado efeito casca de cebola, onde quanto mais interna for a casca, maior seu potencial).
Disponível em: http://4.bp.blogspot.com/-R1HdXuY9z8Y/TbgXRx-rCKI/AAAAAAAAZos/aLyM9EaRwK8/s1600/equipot+1.png
TRABALHO DE UMA FORÇA ELÉTRICA
A energia elétrica pode ser percebida através do trabalho da força elétrica. O trabalho é o produto da força exercida sobre um corpo pelo deslocamento deste corpo na direção desta força. Sendo assim, o trabalho da força elétrica num campo elétrico é dado pela definição abaixo.
Se imaginarmos dois pontos em um campo elétrico, cada um deles terá energia potencial dada por:
Ep1 = q · v1 e Ep2 = q · v2
Sendo o trabalho realizado entre os dois pontos:
τ1,2 = F · ∆d
Mas sabemos que, quando a força considerada é a eletrostática, então:
ortanto:
ττ1,2=q·v1-v2
CAMPO E POTENCIAL DO CONDUTOR EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO
Um bom condutor possui elétrons livres. Se esses elétrons não apresentarem nenhum movimento ordenado, diremos que o condutor está em equilíbrio eletrostático. Para que isso ocorra, o campo elétrico no interior do condutor deve ser nulo pois se o campo fosse diferente de zero, provocaria movimento dos elétrons.
“No interior de um condutor em equilíbrio, o campo elétrico é nulo.”
Na superfície do condutor pode haver campo elétrico não nulo, desde que ele seja perpendicular à superfície.
A necessidade de o campo ser perpendicular à superfície decorre do fato de o condutor estar em equilíbrio. Se o campo fosse inclinado em relação à superfície, haveria uma componente tangencial Et que provocaria o movimento das cargas.
Consideremos agora quatro pontos quaisquer A, B, C e D pertencentes a um condutor em equilíbrio eletrostático.
Se os potenciais de A, B, C e D fossem diferentes, haveria movimentação de elétrons livres do potencial mais baixo para o potencial mais alto o que contraria a hipótese de equilíbrio. Portanto concluímos que os pontos A, B, C e D devem ter o mesmo potencial:
Disponível em: http://www.alfaconnection.pro.br/images/ELE100102a.gif
“Todos os pontos de um condutor em equilíbrio eletrostático devem ter o mesmo potencial”
Gráficos E→ x d e V x d
Disponível em: http://osfundamentosdafisica.blogspot.com.br/2016/05/cursos-do-blog-eletricidade.html
DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS
Quando um condutor está eletrizado, tem um excesso de cargas positivas ou negativas. Na situação de equilíbrio essas cargas tendem a se afastar o máximo possível e assim ficam na superfície do condutor. Se o condutor for esférico e isolado (longe da influência de outros condutores) as cargas distribuem-se uniformemente pela superfície. Mas se o condutor tiver outra forma, as cargas concentram-se mais nas regiões mais pontudas.
Disponível em: http://alunosonline.uol.com.br/upload/conteudo_legenda/condutor%20em%20equilibrio%20eletrostatico.jpg
Disponível em: http://4.bp.blogspot.com/-PV9pei33rbc/TcFc9yU9JoI/AAAAAAAAZsU/8shTwHYljFw/s1600/QUATRO.png
Para caracterizar essas diferenças define-se a densidade superficial de cargas. Se uma “pequena” superfície de área contiver uma carga Q, a densidade de cargas nessa superfície é definida por:
Assim, no caso do condutor esférico isolado, a densidade é constante ao longo da superfície. Porém, para condutores de outras formas, a densidade é maior nas pontas.
BLINDAGEM ELETROSTÁTICA
A blindagem eletrostática ocorre quando o excesso de cargas em um condutor distribui-se uniformemente em sua superfície e o campo elétrico em seu interior fica nulo.
Um condutor, quando carregado, tende a espalhar suas cargas uniformemente por toda a sua superfície. Se esse condutor for uma esfera oca, por exemplo, as cargas irão se espalhar pela superfície externa, pois a repulsão entre as cargas fazem com que elas se mantenham o mais longe possível umas das outras. Os efeitos de campo elétrico criados no interior do condutor acabam se anulando, obtendo assim um campo elétrico nulo.
O mesmo acontece quando o condutor não está carregado, mas está em uma região que possui um campo elétrico causado por um agente externo. Seu interior fica livre da ação desse campo externo, fica blindado. Esse efeito é conhecido como blindagem eletrostática.
A blindagem eletrostática foi comprovada, em 1936, por Michael Faraday (1821-1867) através de um experimento que ficou conhecido como a gaiola de Faraday. Nesse experimento, esse estudioso entrou em uma gaiola e sentou-se em uma cadeira feita de material isolante. Em seguida, essa gaiola foi conectada a uma fonte de eletricidade e submetida a uma descarga elétrica, porém nada aconteceu com ele. Com isso, Faraday conseguiu provar que um corpo no interior de um condutor fica isolado e não recebe descargas elétricas em virtude da distribuição de cargas na superfície.
Esse fenômeno é muito utilizado para proteger equipamentos que não podem ser submetidos a influências elétricas externas, como é o caso de aparelhos eletrônicos. Se esses aparelhos forem submetidos a um campo elétrico externo, os seus componentes poderão ser danificados. Além disso, é também graças à blindagem eletrostática que, se um carro ou um avião forem atingidos por um raio, as pessoas em seu interior não sofrerão nenhum dano, pois a estrutura metálica faz a blindagem eletrostática de seu interior.
