Quatro segmentos de fio de comprimento
formam um quadrado de lado
. Considerando que
no infinito, calcule o potencial elétrico no centro do quadrado nos seguintes casos: (a) os quatro fios possuem carga
; (b) dois fios possuem carga
e os outros dois possuem carga
. No caso (b), a resposta depende de quais são os fios de carga positiva e quais são os fios de carga negativa? Sugestão: use o resultado para o potencial de um fio feito nas notas de aula.
Passo 1
Então, a gente tem um exercício sobre eletrostática. Imagina um quadrado formado por quatro fios, cada um com comprimento
. A gente precisa calcular o potencial elétrico no centro desse quadrado em dois casos diferentes: (a) quando todos os fios têm carga
; e (b) quando dois fios têm carga
e os outros dois têm carga
. Para resolver isso, vamos usar a fórmula do potencial elétrico gerado por um fio carregado.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar qual é a fórmula do potencial elétrico
devido a um fio infinitamente longo com densidade de carga linear
. A fórmula é:
onde
é a distância do ponto onde estamos calculando o potencial até o fio, e
é uma referência, que nesse caso será o infinito, onde definimos
.
Passo 3
No nosso caso, os fios têm comprimento finito, mas como estamos calculando o potencial no centro do quadrado, podemos considerar que
é a distância do centro até o fio. A distância do centro de um quadrado de lado
até um dos lados é
. Assim, a diferença de potencial devido a um fio ��:
Como
, precisamos repensar isso. Na verdade, em um fio com carga finita, a expressão do potencial é um pouco diferente, mas para simplificar, vamos considerar que o potencial devido a cada fio no centro é proporcional à sua carga e inversamente proporcional à distância.
Passo 4
Vamos então considerar que o potencial total no centro é a soma dos potenciais individuais de cada fio. No caso (a), todos os quatro fios têm carga
, então o potencial total será:
Como todos os potenciais são positivos, eles se somam.
Passo 5
No caso (b), dois fios têm carga
e dois têm carga
. O potencial total será:
Isso porque os potenciais de cargas positivas e negativas se cancelam.
Passo 6
Agora, quanto à dependência da configuração das cargas positivas e negativas no caso (b), se os fios positivos estão em posições opostas aos negativos, o potencial se cancela perfeitamente. Se não estiverem, o cancelamento pode não ser completo, mas no centro do quadrado, devido à simetria, ainda assim o potencial tende a zero.
Resposta
(a) O potencial elétrico no centro do quadrado é
.
(b) O potencial elétrico no centro do quadrado é
. Além disso, no caso (b), a resposta não depende de quais fios são positivos ou negativos devido à simetria do quadrado.