Uma esfera de raio a tem polarização elétrica P=P0 k. Determine o potencial escalar elétrico, o campo elétrico e o vetor deslocamento elétrico em todos os pontos do espaço.

Passo 1

Beleza, vamos lá! A gente tem uma esfera com raio que está polarizada eletricamente, ou seja, tem uma polarização . O que isso significa é que dentro da esfera, as cargas positivas e negativas estão separadas de forma organizada. Nosso objetivo aqui é descobrir três coisas em todos os pontos do espaço: o potencial elétrico escalar ( ), o campo elétrico ( ) e o vetor deslocamento elétrico ( ). Para isso, vamos precisar entender como a polarização gera cargas aparentes e como essas cargas influenciam os campos elétricos ao redor.

Passo 2

Primeiro, vamos falar sobre polarização elétrica. Quando uma esfera está polarizada com , significa que as cargas positivas estão ligeiramente deslocadas na direção de e as negativas na direção oposta. Isso cria cargas superficiais chamadas de cargas de superfície aparente. Essas cargas são importantes porque vão gerar os campos elétricos que vamos calcular.

Passo 3

Vamos calcular as cargas de superfície aparente. A densidade de carga superficial ( sigmab = P cdot n ) devido à polarização é dada por:
sigmab = P0 costheta
onde é o vetor normal à superfície. No nosso caso, e varia de acordo com o ponto na superfície. Em coordenadas esféricas, a componente pode ser expressa em termos de ângulo polar , então:
Isso significa que a carga superficial varia com o ângulo .

Passo 4

Agora, vamos determinar o potencial elétrico Vfora(r, theta) = P0 a^33 varepsilon0 r^2 costheta devido a essas cargas de superfície. O potencial de uma distribuição de carga superficial em uma esfera pode ser calculado usando a expansão em harmônicos esféricos. Para distribuições simétricas como a nossa, podemos usar o potencial geral para fora e para dentro da esfera.
Para Vdentro(r, theta) = -P0 r3 varepsilon0 costheta (fora da esfera):
Para (dentro da esfera):
Aqui, é a permissividade do vácuo.

Passo 5

Com o potencial E = -nabla V em mãos, podemos encontrar o campo elétrico Efora(r, theta) = 2 P0 a^33 varepsilon0 r^3 costheta , r + P0 a^33 varepsilon0 r^3 sintheta , theta usando a relação:
Edentro(r, theta) = -P03 varepsilon0 costheta , r + P03 varepsilon0 sintheta , theta
Vamos calcular isso para ambas as regiões.
Para :
Para :

Passo 6

Por fim, vamos encontrar o vetor deslocamento elétrico D = varepsilon0 E + P . A relação entre Dfora(r, theta) = varepsilon0 Efora = 2 P0 a^33 r^3 costheta , r + P0 a^33 r^3 sintheta , theta , Ddentro(r, theta) = varepsilon0 Edentro + P0 k = ( varepsilon0 ( -P03 varepsilon0 costheta ) + P0 ) k + varepsilon0 P03 varepsilon0 sintheta , theta e Ddentro(r, theta) = 2 P03 costheta , r + P03 sintheta , theta é:
Vamos substituir os valores de que encontramos.
Para :
Para :
Simplificando:

Resposta

Resumindo, os resultados são:
  • Potencial elétrico:
    V(r, theta) = dfracP0 a^33 varepsilon0 r^2 costheta & para r > a -dfracP0 r3 varepsilon0 costheta & para r <= a
  • Campo elétrico:
    E(r, theta) = dfrac2 P0 a^33 varepsilon0 r^3 costheta , r + dfracP0 a^33 varepsilon0 r^3 sintheta , theta & para r > a -dfracP03 varepsilon0 costheta , r + dfracP03 varepsilon0 sintheta , theta & para r <= a
  • Vetor deslocamento elétrico:
    D(r, theta) = dfrac2 P0 a^33 r^3 costheta , r + dfracP0 a^33 r^3 sintheta , theta & para r > a dfrac2 P03 costheta , r + dfracP03 sintheta , theta & para r <= a
Essas expressões descrevem como o potencial, o campo elétrico e o vetor deslocamento variam em todos os pontos do espaço ao redor e dentro da esfera polarizada.

Exercícios relacionados