Fisica125

Física Eletricidade

Um capacitor esférico, com o espaço entre as placas preenchido por vidro, de raio interno e externo iguais a 1 e 2 mm, respectivamente, é carregado a uma ddp de 20 V. (0,5) – a) Determine a capacitância. (0,5) – b) Determine a carga do capacitor. (0,5) – c) Determine a energia armazenada. (0,5) – d) Determine a densidade de energia entre as placas. (0,5) – e) Determine o campo elétrico entre as placas.

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Angela perguntou há 4 anos

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Professor Marcus V.
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Respondeu há 4 anos

Ola Angela,

Use a lei de gauss para dielétricos na região onde se encontra o vidro, construindo uma superfície esférica envolvendo a esfera interna. Uma vez calculado o campo elétrico, calcule a diferença de potencial entre ra=1 mm e rb = 2 mm. Em seguida, use a formula de capacitância. Vamos assumir que a carga elétrica nas cascas esferica sejam Q em ra e -Q em rb.

a)  \int \epsilon E dA = Q_{int}   ->  \epsilon*E*4\pir² =  Q²  ->  E =  \frac{Q}{4 \epsilon \pi r^2} .   Calculando o potencial :  V = - \int E dr   - >  V = - \frac{Q}{4 \epsilon \pi } \int \frac{1}{r^2}   ->  V = - \frac{Q}{4 \epsilon \pi }  \Big\( \frac{-1}{r} \Big\) \Big\|_{r_b}^{r_a}  ->  V = \frac{Q^2}{4 \epsilon \pi } \frac{r_b - r_a}{r_a r_b}    C = Q/V   ->     C = \frac{4 \pi \epsilon (r_a r_b) }{rb - r_a}

Use os valores dados: ra= 1mm rb = 2mm.  Você precisa procurar o valor da permissividade do vidro, provavelmente tem no livro didático usado na disciplina.

 

b) Uma vez calculado o valor de C, use a formula C=Q/V  ->  Q = C*V, usando o valor dado de ddp dado.

c) A energia armazenada no capacitor é dado por:  W = \frac{1}{2} \int D E d V    sendo D = \epsilon E.  

W  = \frac{\epsilon}{2}  \int E^2 dV    ->   W  = \frac{Q^2\epsilon}{2 (4 \pi \epsilon)^2 }  \int \frac{1}{r^4} dV  . Usando coordenas esféricas e levando em conta que o problema envolve apenas 'r' como variável, tem-se:

 W  = \frac{Q^2 \epsilon}{2 (4 \pi \epsilon)^2}  4 \pi \int \frac{1}{r^4} r^2 dr  ->    W  = \frac{Q^2 }{8 \pi \epsilon}  \Big\( \frac{1}{r} \Big\) \Big|_{r_b}^{r_a}    .

d)  A densidade de energia é o valor calculado no item anterior dividido pelo volume. No caso, só o volume entre as placas, que é a diferença entre o volume da esfera maior menos volume da esfera menor.

e) Já respondida no item (a)

 

Espero que tenha ajudado, abraço e bons estudos

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