*Uma casca cilíndrica isolante muito longa possui raio de
e carrega densidade linear de carga de
, uniformemente espalhada pela sua superfície externa. Qual seria a leitura de um voltímetro, se ele estivesse conectado (a) entre a superfície do cilindro e um ponto
acima da superfície e (b) entre a superfície e um ponto a
do eixo central do cilindro?
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um cilindro isolante muito longo com raio de 6,0 cm e uma densidade linear de carga de
, espalhada uniformemente na superfície externa. Queremos descobrir qual seria a leitura de um voltímetro quando conectado entre a superfície do cilindro e dois pontos diferentes: (a) 4,00 cm acima da superfície e (b) 1,00 cm do eixo central do cilindro.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de eletrostática, principalmente a Lei de Gauss para calcular o campo elétrico ao redor do cilindro e, em seguida, integrar esse campo para encontrar a diferença de potencial (voltagem) nas posições especificadas.
Passo 2
Primeiro, precisamos calcular o campo elétrico
ao redor de um cilindro carregado. Para isso, usamos a Lei de Gauss, que nos ajuda a encontrar campos elétricos com alta simetria. A fórmula para o campo elétrico fora de um cilindro longo com densidade linear de carga
é:
onde:
-
(convertendo de µC/m para C/m), -
é a permissividade do vácuo, -
é a distância radial do eixo do cilindro.
Passo 3
Agora, vamos calcular a diferença de potencial
entre dois pontos. A diferença de potencial é a integral do campo elétrico ao longo do caminho entre os dois pontos. A fórmula geral é:
Substituindo o campo elétrico que encontramos:
Passo 4
Vamos resolver a parte (a) da questão, onde o voltímetro está conectado entre a superfície do cilindro (
) e um ponto 4,00 cm acima da superfície. Nesse caso, a distância total do eixo para o ponto é
.
Convertendo para metros:
Substituindo na fórmula:
Passo 5
Calculando os valores:
Primeiro, calculemos o fator na frente:
Agora, o logaritmo:
Multiplicando tudo:
O sinal negativo indica que o potencial diminui no sentido do campo, mas como estamos interessados na magnitude da leitura do voltímetro, consideramos o valor absoluto.
Passo 6
Agora, vamos resolver a parte (b), onde o voltímetro está conectado entre a superfície do cilindro (
) e um ponto a 1,00 cm do eixo central. Aqui, a distância para o ponto interno é
.
Como o ponto está dentro do cilindro isolante, o campo elétrico dentro de um material isolante carregado uniformemente é 0 (não há carga dentro), então não há diferença de potencial entre a superfície e um ponto interno.
Resposta
(a) A leitura do voltímetro seria aproximadamente
.
(b) A leitura do voltímetro seria .
(b) A leitura do voltímetro seria