Potencial, condutores e capacidade

Trabalho elétrico, equipotenciais, blindagem, condensadores e energia armazenada.

TLDR

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Um eletrão libertado entre dois pontos com diferença de potencial de 100 V100\,\mathrm V pode ganhar energia cinética. Para calcular essa energia, basta conhecer a diferença de potencial; não precisamos de reconstruir o campo em cada ponto da trajetória.

Em eletrostática, o trabalho da força elétrica depende apenas dos extremos. O potencial permite expressá-lo por unidade de carga. A referência escolhida altera os valores de VV, mas não as diferenças que entram no trabalho.

Potencial e energia

O gradiente ∇V=(∂xV,∂yV,∂zV)\nabla V=(\partial_xV,\partial_yV,\partial_zV) aponta para o aumento mais rápido do potencial. Em eletrostática, o campo aponta no sentido oposto, E⃗=−∇V\vec E=-\nabla V, e

VB−VA=−∫ABE⃗⋅dℓ⃗.V_B-V_A=-\int_A^B\vec E\cdot d\vec\ell.

Escolhemos uma referência para VV, por exemplo V(∞)=0V(\infty)=0 para cargas localizadas. O trabalho da força elétrica numa carga qq é WA→B=q(VA−VB)W_{A\to B}=q(V_A-V_B); a variação da energia potencial é ΔU=q(VB−VA)=−W\Delta U=q(V_B-V_A)=-W. Volt é joule por coulomb.

Para cargas pontuais no vazio, V(r⃗)=∑ikqi/∣r⃗−r⃗i∣V(\vec r)=\sum_i kq_i/|\vec r-\vec r_i|. Mantém o sinal das cargas. Uma carga negativa cria potencial negativo com a referência no infinito, mas a energia de outra carga depende também do sinal desta.

Na configuração do dipolo da página de carga, as distâncias a PP são iguais. O potencial é zero, porque kq/r+k(−q)/r=0kq/r+k(-q)/r=0. O campo continua a apontar para a carga negativa.

Uma superfície equipotencial tem VV constante. O campo é perpendicular a ela e aponta para potenciais menores. Mover uma carga ao longo da superfície não realiza trabalho elétrico. Um ponto crítico do potencial tem ∇V=0\nabla V=0, logo E⃗=0\vec E=0; isso não garante equilíbrio estável. Uma sela pode ter gradiente zero e descer numa direção enquanto sobe noutra.

Exemplo: acelerar um eletrão

Um eletrão, inicialmente em repouso, passa de VA=0V_A=0 para VB=100 VV_B=100\,\mathrm V, sem outras forças. Temos ΔU=−e×100 V=−1,60×10−17 J\Delta U=-e\times100\,\mathrm V=-1{,}60\times10^{-17}\,\mathrm J. A energia cinética aumenta pelo mesmo módulo. Com me=9,11×10−31 kgm_e=9{,}11\times10^{-31}\,\mathrm{kg},

v=2e(100 V)me=5,93×106 m/s.v=\sqrt{\frac{2e(100\,\mathrm V)}{m_e}} =5{,}93\times10^6\,\mathrm{m/s}.

A conservação de energia dá ΔK=−ΔU\Delta K=-\Delta U. Como q=−eq=-e, aumentar o potencial diminui a energia potencial do eletrão e aumenta a sua rapidez. Uma carga positiva inicialmente em repouso não faria espontaneamente o mesmo percurso só sob a força elétrica. A rapidez é aproximadamente 2%2\% de cc, pelo que a aproximação não relativista é adequada.

Condutores em equilíbrio

Num condutor em equilíbrio eletrostático, o campo no material é zero. Se não fosse, as cargas livres mover-se-iam e o estado não seria de equilíbrio. Por isso, o potencial é constante no material e a carga em excesso fica nas superfícies. O campo imediatamente exterior é normal à superfície.

Uma esfera condutora isolada, de raio RR e carga QQ, tem

V(r)={kQ/R,r≤R,kQ/r,r≥R.V(r)=\begin{cases}kQ/R,&r\le R,\\kQ/r,&r\ge R.\end{cases}

O potencial é contínuo; o campo salta na superfície por causa da carga superficial. Esferas muito afastadas ligadas por um fio ficam ao mesmo potencial. Assim, Q1/R1=Q2/R2Q_1/R_1=Q_2/R_2 e σQ,1/σQ,2=R2/R1\sigma_{Q,1}/\sigma_{Q,2}=R_2/R_1. A esfera menor tem campo superficial maior. É uma aproximação do efeito das pontas, não uma fórmula universal para qualquer objeto pontiagudo.

Terra e blindagem

A terra ideal é um reservatório de carga a potencial fixo. Ligar um condutor à terra fixa o seu potencial e permite trocar carga; não obriga a carga total a ser zero.

Uma cavidade fechada e vazia dentro de um condutor em equilíbrio fica sem campo elétrico, mesmo com campo exterior. Se colocares uma carga qq na cavidade, surge −q-q na superfície interior. Num condutor inicialmente neutro e isolado, fica +q+q na superfície exterior.

Se o condutor for ligado à terra, na ausência de outras fontes exteriores pode receber a carga necessária para eliminar o campo exterior.

Estas conclusões são eletrostáticas e dependem de a cavidade estar fechada. Blindagem de campos variáveis depende do material, da frequência e das aberturas.

Um condutor com corrente não está em equilíbrio eletrostático: pode ter campo interior e queda de potencial.

Capacidade

A capacidade de um condutor isolado é C=Q/VC=Q/V, com a referência do potencial fixada. Para a esfera, C=4πε0RC=4\pi\varepsilon_0R. Uma esfera de raio 0,10 m0{,}10\,\mathrm m tem C≃11,1 pFC\simeq11{,}1\,\mathrm{pF}.

Um condensador separa cargas +q+q e −q-q em duas armaduras. Define-se C=q/uC=q/u, onde u=V+−V−u=V_+-V_-. Farad é coulomb por volt. Para duas placas paralelas de área AA, distância dd pequena face às dimensões das placas e dielétrico linear uniforme,

C=εAd,E≃ud.C=\frac{\varepsilon A}{d},\qquad E\simeq\frac ud.

A capacidade depende da geometria e do meio. Aumentar uu aumenta a carga, mas não muda CC neste modelo. O dielétrico real tem uma tensão de rotura que limita a utilização.

Associações e energia

Em paralelo, a tensão é igual e as cargas somam: Ceq=∑CiC_{\rm eq}=\sum C_i. Em série, com nós intermédios inicialmente neutros e isolados, os módulos de carga são iguais e as tensões somam: 1/Ceq=∑1/Ci1/C_{\rm eq}=\sum1/C_i. Um condensador menor em série recebe maior tensão.

A energia armazenada resulta do trabalho necessário para carregar as armaduras:

WC=∫0qq′C dq′=q22C=12Cu2=12qu.W_C=\int_0^q\frac{q'}C\,dq'=\frac{q^2}{2C} =\frac12Cu^2=\frac12qu.

Com C=100 μFC=100\,\mathrm{\mu F} e u=12 Vu=12\,\mathrm V, q=1,20 mCq=1{,}20\,\mathrm{mC} e WC=7,20 mJW_C=7{,}20\,\mathrm{mJ}. Dois condensadores de 22 e 3 μF3\,\mathrm{\mu F} em série dão 1,20 μF1{,}20\,\mathrm{\mu F}. A 10 V10\,\mathrm V, ambos têm 12 μC12\,\mathrm{\mu C}; as tensões são 66 e 4 V4\,\mathrm V, cuja soma recupera a fonte.

Ao afastar as placas de dd para 2d2d, mantendo área e dielétrico e desprezando bordos, a capacidade passa de CC para C/2C/2. Compara duas montagens que partem dos mesmos valores C,q,u,WCC,q,u,W_C:

Montagem durante o afastamentoCarga finalTensão finalEnergia final
Fonte desligada, armaduras isoladasqq2u2u2WC2W_C
Fonte ideal mantém a tensãoq/2q/2uuWC/2W_C/2

Com isolamento, usa WC=q2/(2C)W_C=q^2/(2C): o trabalho de separar as placas aumenta a energia do campo. Com tensão constante, usa WC=Cu2/2W_C=Cu^2/2: a fonte recebe carga e energia durante o afastamento lento. O balanço da montagem inclui a fonte e o trabalho mecânico, não apenas o condensador.

Tensões máximas em série

A tensão suportada por uma associação depende da repartição por cada componente. Com nós intermédios neutros, condensadores ideais em série têm a mesma carga qq. Cada limite Uk,max⁡U_{k,\max} impõe q≤CkUk,max⁡q\le C_kU_{k,\max}, logo

qmax⁡=min⁡k(CkUk,max⁡),Umax⁡=qmax⁡∑k1Ck.q_{\max}=\min_k(C_kU_{k,\max}),\qquad U_{\max}=q_{\max}\sum_k\frac1{C_k}.

Por exemplo, 2 μF2\,\mathrm{\mu F} com limite 100 V100\,\mathrm V admite até 200 μC200\,\mathrm{\mu C}; 3 μF3\,\mathrm{\mu F} com limite 80 V80\,\mathrm V admite até 240 μC240\,\mathrm{\mu C}. O primeiro limita a série. Com q=200 μCq=200\,\mathrm{\mu C}, as tensões são 100100 e 66,67 V66{,}67\,\mathrm V: o limite da associação é 166,67 V166{,}67\,\mathrm V, inferior à soma das tensões nominais 180 V180\,\mathrm V.

Isto descreve a repartição ideal de carga. Fugas e tolerâncias em componentes reais podem alterar a divisão de tensão; os valores nominais não autorizam operar precisamente no limite deste modelo.

Exercícios

Carga e energia em dois condensadores em série

Dois condensadores ideais, C1=2 μFC_1=2\,\mathrm{\mu F} e C2=3 μFC_2=3\,\mathrm{\mu F}, são ligados em série a 10 V10\,\mathrm V. O nó intermédio é inicialmente neutro e isolado.

Calcula a carga de cada condensador, as duas tensões e a energia total. Confirma a energia usando a capacidade equivalente.

Pista

Decide qual grandeza é igual nos dois condensadores e qual se soma.

Solução

O nó intermédio conserva carga total nula, logo os módulos das cargas dos dois condensadores são iguais. As tensões somam-se:

Ceq=C1C2C1+C2=1,2 μF,q=CeqUs=12 μC.C_{\rm eq}=\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}=1{,}2\,\mathrm{\mu F},\qquad q=C_{\rm eq}U_s=12\,\mathrm{\mu C}.

Assim, u1=q/C1=6 Vu_1=q/C_1=6\,\mathrm V e u2=q/C2=4 Vu_2=q/C_2=4\,\mathrm V. O menor condensador precisa de maior tensão para guardar a mesma carga; 6+4=106+4=10 verifica a fonte.

As energias são C1u12/2=36 μJC_1u_1^2/2=36\,\mathrm{\mu J} e C2u22/2=24 μJC_2u_2^2/2=24\,\mathrm{\mu J}. A soma dá 60 μJ60\,\mathrm{\mu J}, igual a CeqUs2/2C_{\rm eq}U_s^2/2.

Confere a tua resposta:

  • Obtém capacidade equivalente 1,2 µF e carga 12 µC.
  • Obtém 6 V e 4 V, explicando qual recebe mais tensão.
  • Soma energias e verifica 60 µJ pelo equivalente.
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Potencial nulo, campo não nulo

No ponto médio entre cargas pontuais +q+q e −q-q, com q>0q>0 e referência no infinito, justifica por que V=0V=0 mas E⃗≠0\vec E\ne0.

Pista

As distâncias são iguais, mas os campos não têm sentidos opostos nesse ponto.

Solução

Os potenciais kq/rkq/r e −kq/r-kq/r cancelam-se. Os dois campos apontam da carga positiva para a negativa e somam-se. Campo depende do gradiente de V, não de V ser zero.

Confere a tua resposta:

  • Soma os potenciais escalares com sinais.
  • Obtém campo no sentido da carga negativa.
  • Distingue valor do potencial e gradiente.

Erros frequentes

Potencial zero é uma referência de energia, não ausência de força.

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Afastar placas depois de desligar a fonte

Carregamos um condensador de placas paralelas e desligamos a fonte, deixando cada armadura isolada. Duplicamos a distância entre as placas, mantendo a área e desprezando os bordos. Como mudam capacidade, carga, tensão e energia? De onde vem a energia adicional?

Pista

Primeiro decide se a montagem conserva a carga ou a tensão.

Solução

Desliga a fonte antes de afastar: a capacidade cai para C/2C/2. A carga de cada armadura mantém-se porque o condensador está isolado, logo a tensão duplica e a energia duplica. As armaduras atraem-se: o trabalho mecânico necessário para as separar aumenta a energia eletrostática. Se a fonte continuasse ligada, a tensão manter-se-ia e a carga mudaria, dando outro resultado.

Confere a tua resposta:

  • Conserva q porque as armaduras estão isoladas.
  • Obtém C/2, tensão 2u e energia 2W.
  • Relaciona o aumento de energia com trabalho mecânico exterior.

Erros frequentes

Não mantenhas carga e tensão constantes quando a capacidade muda. A fórmula Cu2/2Cu^2/2 exige também atualizar uu.

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Qual condensador limita a tensão?

Ligam-se em série dois condensadores ideais: C1=2 μFC_1=2\,\mathrm{\mu F}, com tensão máxima 80 V80\,\mathrm V, e C2=3 μFC_2=3\,\mathrm{\mu F}, com tensão máxima 100 V100\,\mathrm V. O nó intermédio é neutro e isolado; despreza fugas e tolerâncias.

Qual é a maior tensão DC total que respeita os dois limites? Por que não podes simplesmente somar 80+10080+100?

Pista

O limite comum é uma carga, porque as tensões não são iguais.

Solução

O primeiro admite C1U1,max⁡=160 μCC_1U_{1,\max}=160\,\mathrm{\mu C} e o segundo 300 μC300\,\mathrm{\mu C}. A carga comum não pode ultrapassar 160 μC160\,\mathrm{\mu C}.

Nessa carga, u1=80 Vu_1=80\,\mathrm V e u2=160/3≃53,33 Vu_2=160/3\simeq53{,}33\,\mathrm V. A soma é 133,33 V133{,}33\,\mathrm V. O primeiro está no limite e o segundo ainda abaixo dos 100 V100\,\mathrm V.

A 180 V180\,\mathrm V, a capacidade equivalente 1,2 μF1{,}2\,\mathrm{\mu F} daria q=216 μCq=216\,\mathrm{\mu C}, logo u1=108 Vu_1=108\,\mathrm V: ultrapassaria o limite de 80 V80\,\mathrm V. A soma das classificações não respeita a repartição da tensão.

Confere a tua resposta:

  • Obtém limites de carga de 160 µC e 300 µC.
  • Identifica o primeiro condensador como limitante.
  • Obtém tensão total máxima de 133,33 V e verifica os dois limites.
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