Resumo extraído do Capítulo 24, do livro: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 9th Ed

O capítulo 24 do livro Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics aborda a Lei de Gauss, uma ferramenta poderosa para calcular campos elétricos de distribuições de carga altamente simétricas. O capítulo está dividido nas seguintes secções:

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24.1 Fluxo Elétrico

O conceito de fluxo elétrico é introduzido como a medida da quantidade de linhas de campo elétrico que atravessam uma determinada superfície. Se o campo elétrico $\mathbf{E}$ for uniforme e a superfície tiver uma área $A$, o fluxo elétrico $\Phi_E$ é dado por:

$$\Phi_E = E A \cos \theta$$

onde $\theta$ é o ângulo entre o vetor campo elétrico e o vetor normal à superfície. Para superfícies não planas ou campos elétricos variáveis, o fluxo elétrico é expresso como um integral de superfície:

$$\Phi_E = \int_{\text{superfície}} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A}$$

O fluxo elétrico através de uma superfície fechada pode ser positivo (mais linhas de campo saindo do que entrando), negativo (mais linhas entrando do que saindo) ou nulo (quantidade igual de linhas entrando e saindo).

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24.2 Lei de Gauss

A Lei de Gauss estabelece que o fluxo elétrico total através de uma superfície fechada ($\oint \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A}$) é proporcional à carga líquida $q_{\text{in}}$ dentro da superfície:

$$\oint \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{q_{\text{in}}}{\varepsilon_0}$$

onde $\varepsilon_0$ é a permissividade elétrica do vácuo.

• Se uma superfície fechada contém um ponto de carga $q$, o fluxo elétrico é $q/\varepsilon_0$.
• Se a carga está fora da superfície fechada, o fluxo líquido é zero, pois as linhas de campo que entram também saem.

A Lei de Gauss é particularmente útil para distribuições de carga simétricas, onde permite calcular o campo elétrico sem recorrer a integrais complicados.

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24.3 Aplicação da Lei de Gauss a Diferentes Distribuições de Carga

A Lei de Gauss é utilizada para determinar o campo elétrico em distribuições simétricas:

1. Distribuição esférica (esfera carregada uniformemente):

   • Fora da esfera ($r > a$): o campo comporta-se como se toda a carga estivesse concentrada no centro.
   • Dentro da esfera ($r < a$): o campo cresce linearmente com $r$.
   $$E_{\text{fora}} = \frac{k_e Q}{r^2}, \quad E_{\text{dentro}} = \frac{k_e Q}{a^3} r$$
   

2. Distribuição cilíndrica (fio infinito com carga linear $\lambda$):

   • O campo elétrico decresce com a distância $r$ do eixo do cilindro:
   $$E = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r}$$

3. Plano infinito de carga (densidade superficial $\sigma$):

   • O campo elétrico é constante e independente da distância:
   $$E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0}$$

4. Duas placas carregadas (condensador de placas paralelas):

   • O campo entre as placas é uniforme e dado por:
   $$E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}$$

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24.4 Condutores em Equilíbrio Eletrostático

Quando um condutor está em equilíbrio eletrostático, apresenta as seguintes propriedades:

1. O campo elétrico dentro do condutor é zero, pois as cargas livres redistribuem-se até que a força elétrica interna desapareça.

2. Toda a carga líquida reside na superfície externa do condutor.

3. O campo elétrico logo fora do condutor é perpendicular à sua superfície e tem magnitude:

   $$E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}$$

4. Em condutores de formato irregular, a densidade de carga é maior em regiões de menor raio de curvatura (pontos pontiagudos acumulam mais carga).

Estas propriedades explicam fenómenos como o efeito de blindagem eletrostática e a gaiola de Faraday.

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