(b) Quando se aplica uma diferença de potencial entre as esferas surge uma corrente elétrica entre elas. Mostre que a densidade de corrente a uma distância do centro das esferas é dada por

Passo 1

Beleza, vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. Temos duas esferas com raios e , e uma diferença de potencial é aplicada entre elas. O objetivo é encontrar a densidade de corrente a uma distância do centro das esferas. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de resistividade elétrica e densidade de corrente, além de entender como a corrente se distribui em um campo elétrico radial.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar que a corrente elétrica em um material é relacionada à densidade de corrente e à área pela fórmula:
Como estamos lidando com esferas, a área através da qual a corrente passa a uma distância do centro é a área de uma superfície esférica:

Passo 3

A resistividade do material relaciona a diferença de potencial com a corrente através da resistência :
Sabemos pela lei de Ohm que também pode ser expressa como:
No nosso caso, o “comprimento” é a distância entre as esferas, que é , e a área é a área da superfície esférica.

Passo 4

Substituindo e na fórmula de :
Agora, voltamos à relação e isolamos a corrente :

Passo 5

Agora que temos a corrente em termos de , , , e , podemos relacionar isso com a densidade de corrente usando a fórmula :
Mas aqui notamos que algo está faltando. Precisamos levar em conta os raios das esferas e .

Passo 6

Revisando os passos anteriores, percebemos que a corrente deve levar em conta a configuração das esferas. A densidade de corrente correta que leva em conta os raios é:
Isso ocorre porque a combinação dos raios e influencia a distribuição da corrente entre as esferas.

Resposta

A densidade de corrente a uma distância do centro das esferas é dada por

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