Enunciado

Um capacitor de placas paralelas não tem nenhum dielétrico no espaço entre as placas, tem capacitância C 0 e a separação entre as placas é d . Duas lâminas dielétricas que têm constantes dielétricas κ 1 e κ 2 , respectivamente, são, então, inseridas entre as placas, como mostra a Figura 24-47. Cada lâmina tem uma espessura 1 2 d e tem área A , a mesma área de cada placa do capacitor. Quando a carga na placa carregada positivamente é Q , determine (a) o campo elétrico em cada dielétrico e (b) a diferença de potencial entre as placas. (c) Mostre que a capacitância do sistema depois que as lâminas são inseridas é dada por 2 κ 1 κ 2 / κ 1 + κ 2 C 0 . (d) Mostre que 2 κ 1 κ 2 / ( κ 1 + κ 2 ) C 0 é a capacitância equivalente de uma combinação em série de dois capacitores, cada um com placa de área A e espaçamento entre as placas igual a d 2 . O espaço entre as placas de um é preenchido com um material que tem uma constante dielétrica igual a κ 1 e o espaço entre as placas do outro é preenchido com um material que tem uma constante dielétrica igual a κ 2 .

Passo 1

Fala galera, beleza? Esse problema trata sobre dielétrico. Sabemos que, quando inserimos um dielétrico no interior de um capacitor, a capacitância fica multiplicada por κ , ao passo que o campo elétrico fica dividido por κ .

Passo 2

  1. O campo elétrico antes da inserção dos dielétricos era:
  2. E 0 = Q ε 0 A

    Assim, o campo elétrico no interior de cada dielétrico será:

    E 1 = E 0 κ 1 = Q ε 0 A κ 1 E 2 = E 0 κ 2 = Q ε 0 A κ 2

  3. A diferença de potencial pode ser calculada por:
  4. V = E 1 d 2 + E 2 d 2 V = Q d 2 ε 0 A κ 1 + Q d 2 ε 0 A κ 2 = Q d 2 ε 0 A κ 1 + κ 2 κ 1 κ 2

  5. Pela própria definição de capacitância, temos que
  6. C = Q V = 2 ε 0 A d κ 1 κ 2 κ 1 + κ 2 C = 2 C 0 κ 1 κ 2 κ 1 + κ 2

  7. Veja que
  • O primeiro capacitor terá capacitância

C 1 = κ 1 ε 0 A d / 2 = 2 κ 1 C 0 C 2 = κ 2 ε 0 A d / 2 = 2 κ 2 C 0

Logo, como estão em série:

1 C = 1 C 1 + 1 C 2 = 1 2 C 0 κ 1 + κ 2 κ 1 κ 2 C = 2 κ 1 κ 2 κ 1 + κ 2 C 0

que é o que queríamos provar.

Bem, é isso, galera.

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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