Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Campo elétrico e potencial elétrico


No campo do eletromagnetismo, particularmente dentro do ramo da eletrostática, frequentemente lidamos com dois conceitos fundamentais: campo elétrico e potencial elétrico. Esses conceitos são cruciais para explicar como as cargas elétricas interagem no espaço, afetando tudo, desde os circuitos mais simples até os dispositivos eletrônicos mais complexos.

O que é campo elétrico?

O campo elétrico é a região em torno de uma partícula carregada onde uma força será experimentada por outras cargas. Imagine que você tem um pequeno objeto carregado chamado de "carga de teste." Se você colocar essa carga de teste perto de outro objeto carregado, ela sentirá uma força. O espaço onde essa interação ocorre é chamado de campo elétrico.

A intensidade e a direção do campo elétrico são descritas pelo vetor campo elétrico, geralmente denotado por E. O campo elétrico gerado por uma carga pontual Q pode ser calculado usando a fórmula:

E = k * |Q| / r²

Onde:

  • E é a magnitude do campo elétrico
  • k é a constante de Coulomb (8.99 x 10^9 N m²/C²)
  • Q é a carga que produz o campo
  • r é a distância da carga até o ponto de interesse

A direção do campo elétrico é sempre direcionada para longe da carga positiva e em direção à carga negativa. Aqui está uma representação visual simples:

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Acima, o ponto vermelho representa a carga positiva Q, e as linhas mostram a direção do campo elétrico irradiando para fora.

Exemplo de cálculo de campo elétrico

Suponha que você tenha uma carga de 5 µC localizada a 2 m do ponto no espaço onde a carga de teste é colocada. Para encontrar o campo elétrico nesse ponto, use a fórmula:

E = k * 5 x 10^-6 C / (2 m)²
E = 8.99 x 10^9 N m²/C² * 5 x 10^-6 C / 4 m²
E = 11237.5 N/C

O campo elétrico é, portanto, direcionado 11.237,5 N/C para longe da carga.

O que é potencial elétrico?

O potencial elétrico é uma medida do trabalho realizado por um campo elétrico ao mover uma carga positiva unitária de um ponto a outro. É uma quantidade escalar, em contraste com o campo elétrico, e é representada por V. Frequentemente nos referimos à diferença de potencial entre dois pontos como "tensão."

O potencial elétrico V devido a uma carga pontual Q é dado por:

V = k * Q / r

Onde:

  • V é o potencial elétrico
  • k é a constante de Coulomb
  • Q é a carga
  • r é a distância da carga até o ponto

Relação entre campo elétrico e potencial elétrico

A relação entre campo elétrico e potencial elétrico é um dos principais conceitos em eletrostática. O campo elétrico é o gradiente ou taxa de mudança espacial do potencial elétrico.

Em termos simples, o campo elétrico é a "inclinação" da paisagem potencial. Matematicamente, é expresso como:

E = -dV/dr

Esse sinal negativo indica a direção da diminuição máxima no potencial. O campo elétrico aponta de regiões de alto potencial para regiões de baixo potencial.

Exemplo de cálculo de potencial elétrico

Considere uma carga de 5 µC localizada a 2 m de distância do ponto onde queremos calcular o potencial. O potencial nesse ponto é:

V = k * 5 x 10^-6 C / 2 m
V = 8.99 x 10^9 N m²/C² * 5 x 10^-6 C / 2 m
V = 22487.5 V

O potencial elétrico nesse ponto é 22.487,5 volts.

Aplicações e análise adicional

Compreender campos elétricos e potenciais é fundamental para muitas aplicações, incluindo o design de circuitos elétricos, capacitores e até mesmo campos como imagem médica e engenharia de dispositivos eletrônicos.

Linhas de campo elétrico

Linhas de campo elétrico fornecem uma representação visual da intensidade e direção do campo. Essas linhas emanam de cargas positivas e terminam em cargas negativas. A densidade das linhas indica a força do campo - linhas mais próximas significam que o campo é mais forte.

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No visual acima, os círculos vermelho e azul são cargas positivas e negativas, respectivamente. As linhas representam linhas de campo elétrico indo da carga positiva para a carga negativa.

Energia potencial em um campo elétrico

Em um campo elétrico, uma partícula carregada possui energia potencial devido à sua posição. Essa energia muda à medida que a carga se move dentro do campo. Para duas cargas pontuais, a energia potencial U é dada por:

U = k * Q1 * Q2 / r

Onde Q1 e Q2 são suas respectivas cargas e r é a distância entre elas.

Exemplo de problema

Calcule a energia potencial entre duas cargas pontuais: 3 µC e 4 µC separadas por uma distância de 0,5 m:

U = k * 3 x 10^-6 C * 4 x 10^-6 C / 0.5 m
U = 8.99 x 10^9 N m²/C² * 12 x 10^-12 C² / 0.5 m
U = 215.76 x 10^-3 J

A energia potencial é 0.21576 joules.

Conclusão

Compreender o campo elétrico e o potencial elétrico é importante para explicar e prever o comportamento de sistemas eletrificados. Enquanto o campo elétrico fornece insights sobre as interações de força entre cargas, o potencial elétrico nos dá uma medida escalar da paisagem energética dentro do campo.

Ambos os conceitos estão interconectados, onde o campo elétrico é derivado do gradiente do potencial, o que mostra que as mudanças no potencial dão origem a forças elétricas capazes de agir sobre cargas. Dominar essas ideias é essencial para qualquer aspirante a físico ou engenheiro e é o alicerce da teoria eletromagnética.


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