Capítulo 2: Campo, Potencial, Força e Energia
Carlos Alberto dos Santos, Eliabe Maxsuel de Aquino, Geovani Ferreira Barbosa
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física
O conceito de potencial elétrico
Você aprendeu, no Organizador Prévio 2, que depois da carga elétrica e do campo elétrico, o conceito mais importante da eletricidade é o de potencial elé- trico. Aprendeu também que se trata de um conceito tão importante quanto con- ceitualmente difícil de entender.
Na linguagem coloquial, o termo potencial é frequentemente usado para se referir à capacidade que uma pessoa tem para realizar algo, para atingir determinada meta. Sobre um bom aluno no colégio diz-se que tem potencial para ter sucesso na vida profissional. Essa capacidade de realizar algo na linguagem cotidiana, de fato tem a ver com a ideia da energia potencial como a capacidade de realizar trabalho. E praticamente todos os livros didáticos abordam o potencial elétrico a partir da sua relação com a energia potencial, o que está correto. Foi assim que a ideia do potencial elétrico surgiu, mas do ponto de vista conceitual mais fundamental, o potencial tem a ver com o campo elétrico. A partir da relação do potencial com o campo, chega-se à energia potencial
O conceito de potencial elétrico é muito importante em várias áreas da medicina. É por isso que devemos domi- nar seu conhecimento. Por causa da dificuldade mate- mática para estudar este conceito detalhadamente, po- demos definir, sem provar, o potencial a uma distância, r, de uma carga Q:
Substituindo a equação (2.2) em (2.1), obtém-se a relação entre campo e potencial:
Antes de abordarmos as relações matemáticas do conceito de potencial envolvendo força e energia, convém aprofundarmos qualitativamente este im- portante conceito da eletricidade. Essa discussão qualitativa vai lhe ajudar a compreender melhor muitos dos exercícios que terá que fazer nessa disciplina, no exame do ENEM e também em vestibulares.
No capítulo 3 você vai estudar circuitos elétricos simples. Vai aprender que a corrente elétrica em um circuito resulta da ação de uma força eletromotriz produzida por uma fonte de voltagem, por exemplo, uma pilha dessa que usamos nos rádios portáteis. Em praticamente todos os livros didáticos, os termos ou expressões: força eletromotriz, ou fem, voltagem, queda de potencial ou dife- rença de potencial, são usados indistintamente, como se fossem a mesma coisa. Mas, isso não é bem assim.
Para entender isso direitinho, precisamos ter em mente que todos os fe- nômenos elétricos decorrem das cargas elétricas. Se elas estão imóveis, temos fenômenos eletrostáticos. Se elas se movem, teremos a eletrodinâmica. Vamos fazer uns cálculos simples com uma carga positiva, +q, em repouso.
Usando a equação 2.2, obtém-se:
Como r2 é maior do que r1 , o potencial V2 é menor do que V1. Portanto, se uma carga positiva for colocada em P1 , ela se deslocará em direção a P2 . O inverso ocorre com uma carga negativa. Se ela for colocada em P2, se deslocará em direção a P1.
Vejamos agora o caso de um dipolo elétrico, formado por uma carga positiva e outra negativa, separadas por uma distância d. Essa estrutura é muito importante no estudo do eletromagnetismo. Veremos mais adiante alguns exercícios sobre isso.
O potencial de um conjunto de cargas é igual à soma dos potenciais das cargas individuais. Portanto, o potencial no ponto p1 será
Para facilitar a interpretação, vamos supor que r-=5 m e r+=6 m. Substi- tuindo esses valores em (2.5) e (2.6), obtém-se:
Portanto, V(p2)>V(p1), confirmando que o elétron vai do potencial menor para o maior.
Outro resultado importante é que a separação de cargas provoca diferença de potencial ao longo de uma linha que une as cargas. Para ilustrar essa afirmação, suponha duas placas metálicas paralelas. Por meio de algum processo, que não interessa definir agora, elétrons são extraídos de uma placa, que ficará positiva, e colocados na ou- tra, que ficará negativa. Agora vamos conectar as duas placas usando um interruptor. Enquanto o interruptor estiver aberto, a situ- ação é essa da figura. As cargas continuarão imóveis nas placas e haverá uma diferença de potencial entre quaisquer dois pontos do circuito.
Quando o interruptor for fechado, cargas negativas saem da placa em direção à placa positiva. Haverá uma corrente elétrica até que todo o excesso de cargas negativas se junte ao de cargas positivas. Nesse momento não haverá mais excesso de carga livre. Não haverá mais diferença de potencial, e a corrente cessa. Esse conjunto de placas paralelas é denominado capacitor. Trata-se de um dispositivo muitíssimo importante para qualquer equipamento eletrônico. Você leu sobre ele no Organizador Prévio 4
