Campos Elétricos

O campo elétrico é fundamental para entender a eletricidade e as interações carga-carga e está intimamente relacionado a grandezas importantes, como o potencial elétrico.

Qualquer objeto carregado gera um campo elétrico. A magnitude do campo depende da quantidade de carga no objeto e da distância do objeto onde o campo é medido. Esses campos também exercem uma força sobre outras cargas ou materiais próximos, causando fenômenos interessantes.

Neste vídeo, primeiro revisitaremos os conceitos básicos relacionados a campos elétricos e, em seguida, ilustraremos um experimento que ajuda a estudar campos elétricos e as forças que afetam cargas e materiais em um campo. Por fim, veremos algumas aplicações que usam campos elétricos a seu favor.

Como mencionado anteriormente, um objeto carregado produz um campo elétrico no espaço circundante. Usando a lei de Gauss, pode-se demonstrar que a magnitude do campo elétrico é linearmente proporcional à carga da fonte 'Q' e inversamente proporcional ao quadrado da distância 'r' da carga da fonte; e 'k' é a constante de Coulomb. Assim, dobrar a quantidade de carga da fonte resulta no dobro da intensidade do campo. Considerando que dobrar a distância de medição reduz a intensidade do campo em quatro vezes.

O campo elétrico produzido por um objeto carregado pode ser visualizado usando linhas fictícias chamadas "linhas de campo elétrico". Essas linhas são uma coleção de setas desenhadas para ajudar a visualizar a magnitude e a direção do campo. Normalmente, as linhas de campo são direcionadas para longe de uma carga de fonte positiva e para uma carga de fonte negativa.

O número total de linhas de campo produzidas por um objeto carregado representa a quantidade de carga, enquanto a densidade das linhas em um determinado local no campo denota a magnitude naquele local. Portanto, as linhas estão próximas de uma esfera carregada, enquanto estão mais separadas a uma distância maior da fonte.

A direção do campo elétrico de uma carga de fonte desconhecida é determinada colocando uma carga de teste nas proximidades da carga da fonte e observando se a carga de teste é atraída ou repelida para longe da carga da fonte.

A magnitude dessa força 'F' é dada pela lei de Coulomb, que afirma que a força é linearmente proporcional à intensidade do campo elétrico e à quantidade de carga na carga de teste. Para direção: se a carga de teste for positiva, a direção da força na carga de teste é a mesma que o campo elétrico. No entanto, se a carga de teste for negativa, a direção da força é oposta à do campo elétrico da carga da fonte.

Os campos elétricos também podem produzir uma diferença de potencial elétrico, ou uma queda de tensão, ao longo da direção do campo. Este fenômeno é discutido em detalhes no vídeo Potencial Elétrico desta coleção. Por outro lado, é importante notar que os campos elétricos também são gerados pela aplicação de diferentes tensões a dois condutores separados. Nesse caso, a direção do campo aponta da tensão mais alta para a tensão mais baixa.

Além de objetos carregados, os campos elétricos também afetam materiais que são neutros em carga, como fios de cobre. Todos os materiais neutros são compostos por uma quantidade enorme e igual de cargas positivas e negativas. Os campos elétricos, portanto, exercem uma força sobre cada uma dessas cargas; resultando em um deslocamento de grandes coleções de carga no material. Isso pode resultar em uma separação efetiva de cargas positivas e negativas e é conhecido como "polarização".

Na próxima seção, veremos como visualizar linhas de campo do campo elétrico geradas pela aplicação de tensões a duas configurações diferentes de eletrodos. E na seção seguinte, veremos o efeito das forças elétricas e o fenômeno da polarização usando papel, pele, uma haste de acrílico e uma lata de refrigerante.

A demonstração consiste em um gerador eletrostático, como um gerador portátil Static Genecon ou um gerador van der Graff, um par de eletrodos dispostos em uma configuração de círculo concêntrico, um par de eletrodos dispostos paralelamente um ao outro e uma placa de Petri ou tanque de observação.

O tanque de observação é preenchido com um óleo viscoso, como o óleo de rícino, e cerca de meio grama de pó polarizável, como sementes de sêmola.

Carregue o tanque de observação cheio com a emulsão de óleo e pó em seu suporte. Em seguida, monte a placa com a configuração de eletrodo paralelo no suporte. Usando cabos, conecte os eletrodos aos terminais negativo e positivo do gerador eletrostático.

Gire a manivela do gerador pelo menos 5 voltas completas, criando assim uma diferença de potencial entre os dois condutores e estabelecendo um campo elétrico. Como o pó adicionado é polarizável, as partículas de pó começarão lentamente a se alinhar com as linhas do campo elétrico.

Em seguida, para neutralizar as cargas, curto-circuite diretamente os terminais positivo e negativo conectando um cabo entre os terminais. Depois de esperar alguns segundos para que a carga se dissipe, desconecte o cabo de curto-circuito dos terminais. Em seguida, desmonte a placa do eletrodo do suporte.

Agora, monte a placa com a configuração do eletrodo de círculo concêntrico no suporte. Misture o óleo e o pó polarizável no tanque de observação enrolando cuidadosamente a configuração.

Ligue o gerador e dê partida pelo menos 5 voltas completas para criar um campo elétrico entre os dois anéis condutores. O pó entre os anéis formará linhas radiantes, indicando que as linhas de campo elétrico nesta região são semelhantes às linhas de campo elétrico de uma carga pontual localizada no centro dos anéis. Em contraste, o pó dentro do círculo interno não possui alinhamento discernível, indicando que não existe nenhum campo elétrico apreciável nesta região.

Agora vamos discutir um experimento que demonstra polarização e forças de campo elétrico. Os itens comuns usados nesta demonstração são uma lata de refrigerante vazia, uma haste de acrílico, um pedaço de pele grande o suficiente para envolver a haste e uma tira de papel.

Coloque a lata de refrigerante vazia de lado para que possa rolar livremente. Enrole o pedaço de pêlo ao redor da haste e esfregue-o de ponta a ponta pelo menos 10 vezes. Ao esfregar a haste, você está transferindo fisicamente elétrons da pele para a haste e tornando a haste carregada negativamente, permitindo que ela gere o campo elétrico necessário para induzir uma polarização.

Aproxime a haste carregada da lata de refrigerante vazia e observe as forças atrativas na lata quando ela começa a rolar em direção à haste. Isso ocorre porque o campo elétrico da haste induz uma polarização na lata de refrigerante. As cargas opostas em sinal às da haste são aproximadas da haste, enquanto as cargas do mesmo sinal são afastadas da haste. Isso faz com que a haste exerça forças atrativas e repulsivas na lata. Como as cargas opostas estão mais próximas da haste, elas experimentam uma força mais forte, que produz uma força atrativa líquida em direção à haste.

Em seguida, aproxime a haste carregada da tira de papel e observe o papel dobrar em direção à haste. O comportamento atrativo é o resultado do mesmo efeito de polarização induzida que fez com que a lata de refrigerante rolasse em direção à haste. Curiosamente, apesar de pesar muito menos do que a lata de refrigerante, o movimento geral do papel é comparativamente pequeno. Isso se deve à natureza isolante do papel em comparação com a natureza condutora da lata, o que leva a uma polarização muito mais fraca.

Os campos elétricos são onipresentes, pois existem onde quer que haja objetos carregados ou diferenças de tensão.

A eletricidade, ou corrente elétrica, é o resultado de campos de força elétrica que empurram a carga através de fios altamente condutores. Em grande escala, isso envolve o roteamento de eletricidade de usinas de energia para edifícios residenciais e comerciais. Em menor escala, a passagem de corrente elétrica através de um circuito é fundamental para operar qualquer dispositivo eletrônico, como um LED, uma lâmpada, um ventilador ou um computador.

A espectrometria de massa usa campos elétricos para determinar o conteúdo químico de uma amostra. Neste equipamento, primeiro as moléculas ionizadas são geradas pela aplicação de forças fortes, como feixe de elétrons, plasma ou lasers. Essas moléculas carregadas são então passadas por um conjunto de campos elétricos alternados. O campo exerce uma força elétrica sobre as moléculas, que altera sua trajetória, levando a uma separação efetiva.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao Electric Fields. Agora você deve entender os princípios que governam a magnitude e a direção dos campos elétricos, como visualizar as linhas do campo elétrico e como a polarização pode ser induzida por um campo elétrico. Obrigado por assistir!