Puc - Física 3 – P1 2018.1 - 2
Seja um fio isolante fino (que pode ser considerado reto e infinito) carregado com uma densidade linear de carga uniforme . Este fio está colocado paralelamente e concentricamente com um cilindro condutor (também infinito), de raio interno e raio externo , como mostra a figura 1 abaixo. O cilindro condutor possui, inicialmente, uma densidade linear de carga uniforme .
- Calcule as densidades superficiais de carga e , respectivamente, nas superfícies interna e externa do cilindro, considerando que o equilíbrio eletrostático foi atingido.
- Calcule o campo elétrico nas regiões , e .
Agora suponha o cilindro anterior seja substituído por um cilindro isolante, com dimensões idênticas e com exatamente a mesma distribuição de cargas que nos itens a) e b). O mesmo fio usado anteriormente é, então, deslocado ao longo do eixo , de modo que seu centro se encontra agora em , como mostrado na figura 2 abaixo.
c) Calcule o campo elétrico no ponto .
Passo 1
a) A carga total, por unidade de comprimento na superfície interna do cilindro é igual, em módulo e oposta em sinal, à carga por unidade de comprimento do fio, como podemos ver passando uma gaussiana cilíndrica concêntrica, de raio ’, por dentro do condutor , onde o campo é nulo. Portanto, temos
Como , temos
que está uniformemente distribuída na superfície interna do cilindro. Como a soma total da carga por unidade de comprimento do condutor tem de se manter igual ao valor inicial, a carga por unidade de comprimento na superfície externa do cilindro condutor deve ser igual a:
Portanto, a densidade uniforme de carga sobre a superfície externa do condutor será:
Passo 2
b) Para calcular o campo elétrico, podemos usar superfícies gaussianas cilíndricas, dado que a simetria do campo é cilíndrica, pois o campo aponta do eixo central para fora, radialmente. Assim, temos que, para um raio , o fluxo total é
Portanto,
- Na região , , então
- Na região , , pois está dentro do condutor ;
- Na região , , então
Passo 3
c) O campo no ponto , equivale a subtrair o campo do fio localizado em por um campo do mesmo fio localizado em : se notar que é só subtrair o antigo e adicionar o novo:
Portanto,
Resposta
- Na região , , então
- Na região , , pois está dentro do condutor ;
- Na região , , então
c)