Duas esferas metálicas concêntricas possuem raios
, respectivamente. A esfera interna tem uma carga
distribuída uniformemente sobre sua superfície, e a esfera externa possui uma carga
sobre sua superfície. (a) Calcule a energia total armazenada no campo elétrico interno às esferas. Sugestão: as esferas podem ser tratadas como placas planas paralelas separadas de uma distância de
- por quê? (b) Determine a capacitância desse sistema de duas esferas e mostre que a energia total armazenada no campo é, aproximadamente, igual a
.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício fala sobre duas esferas metálicas que estão uma dentro da outra, conhecidas como concêntricas. A esfera de dentro tem raio de 10 cm e carga positiva
, enquanto a de fora tem raio de 10,5 cm e carga negativa
. Temos duas partes para resolver:
a) Calcular a energia total armazenada no campo elétrico entre as esferas, usando a ideia de placas paralelas.
b) Determinar a capacitância desse sistema e mostrar que a energia armazenada é aproximadamente
.
Vamos precisar entender conceitos como campo elétrico, energia elétrica no campo e capacitância. Bora passo a passo!
Passo 2
Primeiro, para a parte (a), vamos calcular a energia armazenada no campo elétrico entre as esferas. A sugestão é tratar as esferas como placas paralelas. Isso faz sentido porque a distância entre elas (0,5 cm) é pequena comparada aos seus raios, o que torna o campo quase uniforme, similar ao de placas paralelas.
Passo 3
Sabemos que a energia elétrica armazenada em um campo entre placas paralelas é dada por:
Mas também podemos expressar a energia em termos de carga e capacitância:
Vamos precisar calcular a capacitância do sistema para encontrar a energia.
Passo 4
A capacitância
de um sistema de placas paralelas é dada por:
Onde:
-
é a permissividade do vácuo ( ), -
é a área das placas, -
é a distância entre elas.
No nosso caso, as “placas” são as superfícies das esferas. A área de uma esfera é
.
Passo 5
Vamos calcular a área da esfera interna:
A distância
entre as esferas é:
Passo 6
Substituindo os valores na fórmula da capacitância:
Calculando:
Passo 7
Agora que temos a capacitância, podemos calcular a energia armazenada usando:
Onde
.
Substituindo:
Resposta
A energia total armazenada no campo elétrico interno às esferas é aproximadamente
(56,25 nJ). Além disso, a capacitância do sistema é cerca de
e a energia armazenada coincide com
.
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b- A capacitância é reduzida pela metade
c- A capacitância não varia
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