Enunciado

Uma casca esférica metálica, fina, descarregada tem em seu centro uma carga pontual q . Usando a Lei de Gauss, determine as expressões para o campo elfetrico ( a ) no interior da ca:ca e ( b ) no exterior da casca. (c) A casca influencia de algma maneira o campo gerado por q ? (d) A presença de q influencia de alguma forma a casca? (e) Se uma segunda carga pontual é mantida no exterior da casca, haverá alguma forya atuando nela? (f) A carga pontual no interior sofrerá a ação de alguma força? ( g ) Há alguma contradiç̄̄o com a terceira lei de Newton neste caso? Por que s i m ou por que não?

Passo 1

(a) Coloque uma superfície gaussiana esférica dentro da casca centrada na carga puntiforme. Gauss' estados de direito

∮ E → ⋅ d A → = q e n c ϵ 0 .

Como há simetria esférica, o campo elétrico é normal à superfície esférica gaussiana e é o mesmo em toda parte nessa superfície. O produto escalar simplifica para E → ⋅ d A → = E d A , enquanto E é uma constante na superfície, podemos retirá-lo da integral e acabamos com

E ∮ d A = q ϵ 0 ,

onde q é a carga pontual no centro. Agora ∮ d A = 4 π r 2 , onde r é o raio da superfície gaussiana, então

E = q 4 π ϵ 0 r 2

Passo 2

(b) Repita os passos acima, mas coloque a superfície gaussiana fora da casca condutora. Mantenha-o centrado na carga. Duas coisas são diferentes da derivação acima: (1) r é maior e (2) existe uma casca condutora esférica não carregada dentro da superfície gaussiana. Nenhuma das mudanças afetará a integral da superfície ou qenc, então o campo elétrico fora da casca ainda é

E = q 4 π ϵ 0 r 2

Passo 3

(c) Esta é uma pergunta sutil. Com toda a simetria aqui, parece que a casca não tem efeito; o campo se parece com um campo de carga pontual. Se, no entanto, a carga fosse deslocada do centro, o campo dentro da casca ficaria distorcido e não poderíamos usar a lei de Gauss para encontrá-la. Então a casca faz diferença.

Fora da casca, no entanto, não podemos dizer o que está acontecendo dentro dela. Portanto, o campo elétrico fora da casca se parece com um campo de carga pontual originado no centro da casca, independentemente de onde dentro da casca a carga pontual esteja colocada!

Passo 4

(d) Sim, q induz cargas superficiais na casca. Haverá uma carga -q na superfície interna e uma carga q na superfície externa.

Passo 5

(e) Sim, pois existe um campo elétrico da casca, não existe?

Passo 6

(f) Não, pois o campo elétrico da carga externa não passará por uma casca condutora. O condutor atua como uma blindagem.

Passo 7

(g) Não, isso não é uma contradição, porque a carga externa nunca experimentou nenhuma atração ou repulsão eletrostática da carga interna. A força está entre a casca e a carga externa.

Resposta

a.   E = q 4 π ϵ 0 r 2

b. E = q 4 π ϵ 0 r 2

c. Portanto, o campo elétrico fora da casca se parece com um campo de carga pontual originado no centro da casca, independentemente de onde dentro da casca a carga pontual esteja colocada!

d. sim, Haverá uma carga -q na superfície interna e uma carga q na superfície externa.

e. Sim, pois existe um campo elétrico da casca, não existe?

f. não, O condutor atua como uma blindagem.

g. não, A força está entre a casca e a carga externa.

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