Um disco de raio , está posicionado no plano cartesiano e possui uma carga com densidade superficial . O centro do anel coincide com a origem do sistema de coordenadas. Determine o vetor campo elétrico no ponto .
Passo 1
Beleza, vamos lá! Temos um disco com raio posicionado no plano e carregado com uma densidade superficial de carga . Queremos descobrir qual é o vetor campo elétrico no ponto . Para resolver isso, vamos usar conceitos de eletrostática, especificamente sobre campos elétricos gerados por distribuições de carga contínua. Vamos precisar integrar a contribuição de cada pedacinho do disco para encontrar o campo total no ponto .
Passo 2
Primeiro, vamos imaginar o disco dividido em anéis infinitesimais. Pense em um anel muito fino com raio e espessura . Esse anel tem uma carga pequena que vamos calcular. Como a densidade superficial de carga é , a carga nesse anel é dada por:
Aqui, é o comprimento do anel, e multiplicando pela espessura e pela densidade , obtemos a carga .
Passo 3
Agora, precisamos achar o campo elétrico gerado por esse anel no ponto . Pela simetria, sabemos que apenas a componente do campo na direção vai somar, já que as componentes radiais se cancelam. A fórmula para a componente do campo elétrico devido a um anel carregado é:
Aqui, é a permissividade do vácuo, e a expressão vem da lei de Coulomb aplicada a um anel de carga.
Passo 4
Substituindo na expressão de , temos:
Simplificamos os termos e reorganizamos a expressão para facilitar a integração.
Passo 5
Para encontrar o campo elétrico total no ponto , precisamos integrar de até :
Essa integral nos dará a contribuição de todos os anéis que compõem o disco para o campo no ponto .
Passo 6
Resolvendo a integral, fazemos uma substituição , então . Isso simplifica a integral para: