Dado uma esfera condutora de raio e carga envolta por uma casca esférica condutora neutra de raios interno e externo iguais a e . Dado que o potencial no infinito é nulo, calcule o potencial em cada região:
Passo 1
Como estamos com um problema de achar o potencial de uma distribuição de cargas que aparentemente morre com Lei de Gauss, vamos preferir usar a fórmula:
Escolhendo um caminho radial, porque é mais fácil de fazer a conta. Afinal, o caminho não importa, certo?
Então a primeira coisa é achar o campo em todas as regiões. Fazendo a Lei de Gauss...
Pela simetria esférica do problema, escolhemos uma superfície esférica de raio arbitrário para ser nossa Gaussiana . Dessa forma, os vetores normais são paralelos ao campo em todos os pontos de , do que segue o fato:
Passo 2
Além disso, pela configuração do campo, temos que o seu módulo é constante em toda , do que segue o fato:
Da última equação, segue que a integral de em toda é a área da Gaussiana. A área superficial de uma esfera é conhecida e é igual à:
Substituindo na Lei, temos:
Passo 3
Vamos matar todas as regiões então. Na região , temos a parte maciça de um condutor, portanto:
Na parte de estamos fora da esfera, logo a carga total é :
Na parte em que estamos dentro da casca esférica. Só que como ela é condutora, não temos campo:
Já na região é só ver o quanto de carga total nós temos, que no caso é só proveniente da esfera:
Portanto:
Passo 4
Agora vamos fazer a conta partindo de um lugar cujo potencial nós conhecemos. No caso o enunciado nos deu o potencial no infinito, então vamos começar nosso caminho partindo de lá para algum ponto em que :
Plugando o campo correspondente à região na equação:
Que resulta em:
Ou seja, mesma coisa que a carga pontual.
Passo 5
Agora vamos partir para a região , que tem outra expressão do campo elétrico. A parada é partirmos de um ponto onde conhecemos o potencial, mas como obtivemos a expressão do potencial no passo anterior, podemos usá-la.
CUIDADO com os limites de integração! Plugando o campo e o potencial conhecidos:
Fazendo:
Logo:
Passo 6
Partindo agora de um ponto na superfície em que vamos para a região . O potencial nesse ponto é só substituir na expressão encontrada anteriormente, ou perceber que não depende de :
Logo, integramos novamente:
Passo 7
Mesma coisa, só que agora partindo da superfície , e vamos para :