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6.2: Fluxo elétrico

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Defina o conceito de fluxo
    • Descreva o fluxo elétrico
    • Calcule o fluxo elétrico para uma determinada situação

    O conceito de fluxo descreve quanto de algo passa por uma determinada área. Mais formalmente, é o produto escalar de um campo vetorial (neste capítulo, o campo elétrico) com uma área. Você pode conceituar o fluxo de um campo elétrico como uma medida do número de linhas de campo elétrico passando por uma área (Figura\(\PageIndex{1}\)). Quanto maior a área, mais linhas de campo passam por ela e, portanto, maior o fluxo; da mesma forma, quanto mais forte for o campo elétrico (representado por uma maior densidade de linhas), maior será o fluxo. Por outro lado, se a área girar de forma que o plano fique alinhado com as linhas do campo, nenhuma passará e não haverá fluxo.

    A figura mostra uma área sombreada no centro. Várias setas apontando para a direita são mostradas atrás, na frente e passando pela área sombreada. Eles são rotulados como campo elétrico.
    Figura\(\PageIndex{1}\): O fluxo de um campo elétrico através da área sombreada captura informações sobre o “número” de linhas de campo elétrico que passam pela área. O valor numérico do fluxo elétrico depende das magnitudes do campo elétrico e da área, bem como da orientação relativa da área em relação à direção do campo elétrico.

    Uma analogia macroscópica que pode ajudar você a imaginar isso é colocar um bambolê em um rio que corre. Conforme você altera o ângulo do aro em relação à direção da corrente, mais ou menos do fluxo passará pelo aro. Da mesma forma, a quantidade de fluxo através do aro depende da força da corrente e do tamanho do aro. Novamente, fluxo é um conceito geral; também podemos usá-lo para descrever a quantidade de luz solar que atinge um painel solar ou a quantidade de energia que um telescópio recebe de uma estrela distante, por exemplo.

    Para quantificar essa ideia, a Figura\(\PageIndex{1a}\) mostra uma superfície plana\(S_1\) de área\(A_1\) que é perpendicular ao campo elétrico uniforme\(\vec{E} = E\hat{y}\). Se N linhas de campo passarem\(S_1\), então sabemos pela definição de linhas de campo elétrico (cargas e campos elétricos) que\(N/A \propto E\), ou\(N \propto EA_1\).

    A quantidade\(EA_1\) é o fluxo elétrico que passa\(S_1\). Representamos o fluxo elétrico através de uma superfície aberta, como\(S_1\) no símbolo\(\Phi\). O fluxo elétrico é uma grandeza escalar e tem uma unidade SI de newton-metros quadrados por coulomb (\(N \cdot m^2/C\)). Observe que também\(N \propto EA_1\) pode ser escrito como\(N \propto \Phi\), demonstrando que o fluxo elétrico é uma medida do número de linhas de campo que cruzam uma superfície.

    A Figura a mostra uma área retangular sombreada no plano xz. Isso é rotulado como S1. Existem três setas chamadas E passando por S1. Eles são paralelos ao eixo y e apontam ao longo do eixo y positivo. A Figura b também tem o plano S1 e as setas E. Outro plano, denominado S2, forma um ângulo teta com o plano S1. Sua linha de interseção é paralela ao eixo x. Uma flecha rotulada n que 2 forma um ângulo teta com E.
    Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Uma superfície plana\(S_1\) de área\(A_1\) é perpendicular ao campo elétrico\(E\hat{j}\). N linhas de campo cruzam a superfície\(S_1\). (b) Uma superfície\(S_2\) de área\(A_2\) cuja projeção no plano zz é\(S_1\). O mesmo número de linhas de campo cruzam cada superfície.

    Agora, considere uma superfície plana que não seja perpendicular ao campo. Como representaríamos o fluxo elétrico? \(\PageIndex{2b}\)A figura mostra uma superfície\(S_2\) de área\(A_2\) que está inclinada em um ângulo\(\theta\) com o plano xz e cuja projeção nesse plano é\(S_1\) (área\(A_1\)). As áreas estão relacionadas por\(A_2 \, cos \, \theta = A_1\). Como o mesmo número de linhas de campo cruza as duas\(S_1\) e\(S_2\), os fluxos pelas duas superfícies devem ser os mesmos. O fluxo através\(S_2\) é, portanto\(\Phi = EA_1 = EA_2 \, cos \, \theta\). Designando\(\hat{n}_2\) como um vetor unitário normal para\(S_2\) (veja a Figura\(\PageIndex{2b}\)), obtemos

    \[\Phi = \vec{E} \cdot \hat{n}_2 A_2.\]

    Nota

    Confira este vídeo para observar o que acontece com o fluxo à medida que a área muda de tamanho e ângulo, ou o campo elétrico muda de intensidade.

    Vetor de área

    Para discutir o fluxo de um campo vetorial, é útil introduzir um vetor de área\(\vec{A}\). Isso nos permite escrever a última equação de uma forma mais compacta. Qual deve ser a magnitude do vetor de área? Qual deve ser a direção do vetor de área? Quais são as implicações de como você responde à pergunta anterior?

    O vetor de área de uma superfície plana da área A tem a seguinte magnitude e direção:

    • A magnitude é igual à área (A)
    • A direção é ao longo do normal até a superfície\((\hat{n})\); isto é, perpendicular à superfície.

    Como a superfície normal a uma superfície plana pode apontar em qualquer direção da superfície, a direção do vetor de área de uma superfície aberta precisa ser escolhida, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\).

    A figura mostra dois planos horizontais rotulados A. O primeiro tem duas setas apontando para cima a partir do plano. Quanto mais longo é rotulado como vetor A e mais curto é rotulado como n. O segundo plano tem as mesmas duas setas apontando para baixo do avião.
    Figura\(\PageIndex{3}\): A direção do vetor de área de uma superfície aberta precisa ser escolhida; pode ser qualquer um dos dois casos exibidos aqui. O vetor de área de uma parte de uma superfície fechada é definido para apontar do interior do espaço fechado para o exterior. Essa regra fornece uma direção única.

    Como\(\hat{n}\) é uma unidade normal para uma superfície, ela tem duas direções possíveis em cada ponto dessa superfície (Figura\(\PageIndex{1a}\)). Para uma superfície aberta, podemos usar qualquer direção, desde que sejamos consistentes em toda a superfície. \(\PageIndex{1c}\)da figura mostra vários casos.

    A figura a mostra uma superfície retangular curva. Duas setas se originam de um ponto no centro e apontam em direções opostas. Ambos são perpendiculares à superfície. Eles são rotulados no 1 e no 2. A Figura b mostra uma superfície tridimensional com a forma de uma lâmpada. Existem cinco flechas rotuladas com n hat, que se originam de vários pontos na superfície e apontam para fora, perpendiculares à superfície. A Figura c mostra três superfícies retangulares rotuladas S1, S2 e S3. Duas setas rotuladas com n que são perpendiculares a S1 e apontam em direções opostas. Três setas rotuladas com n que são perpendiculares a S2, uma apontando na direção oposta às outras duas. Existem três setas perpendiculares a S3. Todos apontam para fora do mesmo lado da superfície.
    Figura\(\PageIndex{4}\): (a) Dois potenciais vetores normais surgem em cada ponto de uma superfície. (b) O normal externo é usado para calcular o fluxo através de uma superfície fechada. (c) Somente\(S_3\) foi dado um conjunto consistente de vetores normais que nos permite definir o fluxo através da superfície.

    No entanto, se uma superfície estiver fechada, ela incluirá um volume. Nesse caso, a direção do vetor normal em qualquer ponto da superfície aponta de dentro para fora. Em uma superfície fechada, como a da Figura\(\PageIndex{1b}\),\(\hat{n}\) é escolhido para ser o normal externo em todos os pontos, para ser consistente com a convenção de sinalização para carga elétrica.

    Fluxo elétrico

    Agora que definimos o vetor de área de uma superfície, podemos definir o fluxo elétrico de um campo elétrico uniforme através de uma área plana como o produto escalar do campo elétrico e o vetor de área:

    \[\Phi = \vec{E} \cdot \vec{A} \, (uniform \, \hat{E}, \, flat \, surface).\]

    A figura\(\PageIndex{5}\) mostra o campo elétrico de um sistema de placa paralela com carga oposta e uma caixa imaginária entre as placas. O campo elétrico entre as placas é uniforme e aponta da placa positiva em direção à placa negativa. Um cálculo do fluxo desse campo através de várias faces da caixa mostra que o fluxo líquido através da caixa é zero. Por que o fluxo se cancela aqui?

    Um cubo ABCDKFGH é mostrado no centro. Um plano diagonal é mostrado dentro dele de KF a BC. A superfície superior do cubo, FGHK, tem um plano rotulado com menos q ligeiramente acima e paralelo a ele. Da mesma forma, outro plano é rotulado mais q é mostrado um pouco abaixo da superfície inferior do cubo, paralelo a ele. Pequenas setas vermelhas são mostradas apontando para cima a partir do plano inferior, apontando para a superfície inferior do cubo, apontando para cima a partir da superfície superior do cubo e apontando para cima para o plano superior. Eles são rotulados como vetor E.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Fluxo elétrico através de um cubo, colocado entre duas placas carregadas. O fluxo elétrico através da face inferior (ABCD) é negativo, porque\(\vec{E}\) está na direção oposta ao normal da superfície. O fluxo elétrico pela face superior (FGHK) é positivo, porque o campo elétrico e o normal estão na mesma direção. O fluxo elétrico pelas outras faces é zero, pois o campo elétrico é perpendicular aos vetores normais dessas faces. O fluxo elétrico líquido através do cubo é a soma dos fluxos nas seis faces. Aqui, o fluxo líquido através do cubo é igual a zero. A magnitude do fluxo através do retângulo BCKF é igual às magnitudes do fluxo nas faces superior e inferior.

    O motivo é que as fontes do campo elétrico estão fora da caixa. Portanto, se alguma linha de campo elétrico entrar no volume da caixa, ela também deverá sair em algum lugar da superfície, pois não há carga interna para que as linhas caiam. Portanto, geralmente, o fluxo elétrico através de uma superfície fechada é zero se não houver fontes de campo elétrico, sejam cargas positivas ou negativas, dentro do volume fechado. Em geral, quando as linhas de campo saem (ou “fluem para fora”) de uma superfície fechada,\(\Phi\) é positivo; quando elas entram (ou “fluem para dentro”) da superfície,\(\Phi\) é negativo.

    Qualquer superfície lisa e não plana pode ser substituída por uma coleção de superfícies pequenas e aproximadamente planas, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{6}\). Se dividirmos uma superfície S em pequenas manchas, notamos que, à medida que as manchas se tornam menores, elas podem ser aproximadas por superfícies planas. Isso é semelhante à forma como tratamos a superfície da Terra como localmente plana, embora saibamos que, globalmente, ela é aproximadamente esférica.

    A figura mostra uma superfície ondulada chamada S. Três setas marcadas com n que se originam de três manchas diferentes na superfície. Setas mais longas rotuladas como vetor E também se originam de cada mancha. Uma visão ampliada de um patch é mostrada na lateral. Mostra um chapéu que deve ser perpendicular ao adesivo.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Uma superfície é dividida em manchas para encontrar o fluxo.

    Para acompanhar os patches, podemos numerá-los de 1 a N. Agora, definimos o vetor de área para cada mancha como a área da mancha apontada na direção do normal. Vamos denotar o vetor de área para o i th patch by\(\delta \vec{A}_i\). (Usamos o símbolo\(\delta\) para nos lembrar que a área é de uma mancha arbitrariamente pequena.) Com manchas suficientemente pequenas, podemos aproximar o campo elétrico de qualquer mancha como uniforme. Vamos denotar o campo elétrico médio na localização do no patch by\(\vec{E}_i\).

    \[\vec{E}_i = \mathrm{average \, electric \, field \, over \, the \,} i \mathrm{th \, patch}.\]

    Portanto, podemos escrever o fluxo elétrico\(\Phi\) através da área do patch como

    \[\Phi_i = \vec{E}_i \cdot \delta \vec{A}_i \, (i \mathrm{th \, patch}).\]

    O fluxo através de cada uma das manchas individuais pode ser construído dessa maneira e, em seguida, adicionado para nos dar uma estimativa do fluxo líquido através de toda a superfície S, que denotamos simplesmente como\(\Phi\).

    \[\Phi = \sum_{i=1}^N \Phi_i = \sum_{i=1}^N \vec{E}_i \cdot \delta \vec{A}_i \, (N \, patch \, estimate).\]

    Essa estimativa do fluxo melhora à medida que diminuímos o tamanho das manchas. No entanto, quando você usa manchas menores, você precisa de mais delas para cobrir a mesma superfície. No limite de manchas infinitesimalmente pequenas, elas podem ser consideradas como tendo área dA e unidade normal\(\hat{n}\). Como os elementos são infinitesimais, eles podem ser considerados planos e\(\vec{E}_i\) podem ser considerados constantes sobre qualquer elemento. Em seguida, o fluxo\(d\Phi\) através de uma área dA é dado por\(d\Phi = \vec{E} \cdot \hat{n} dA\). É positivo quando o ângulo entre\(\vec{E}_i\) e\(\hat{n}\) é menor que\(90^o\) e negativo quando o ângulo é maior que\(90^o\). O fluxo líquido é a soma dos elementos do fluxo infinitesimal em toda a superfície. Com manchas infinitesimalmente pequenas, você precisa de infinitas manchas, e o limite da soma se torna uma integral da superfície. Com a\(\int_S\) representação da integral sobre S,

    \[\Phi = \int_S \vec{E} \cdot \hat{n}dA = \int_S \vec{E} \cdot d\vec{A} \, (open \, surface).\]

    Em termos práticos, as integrais de superfície são calculadas tomando as antiderivadas de ambas as dimensões que definem a área, com as bordas da superfície em questão sendo os limites da integral.

    Para distinguir entre o fluxo através de uma superfície aberta como a da Figura\(\PageIndex{2}\) e o fluxo através de uma superfície fechada (que limita completamente algum volume), representamos o fluxo através de uma superfície fechada por

    \[\Phi = \oint_S \vec{E} \cdot \hat{n} dA = \oint_S \vec{E} \cdot d\vec{A} \, (closed \, surface)\]

    onde o círculo através do símbolo integral significa simplesmente que a superfície está fechada e estamos nos integrando sobre a coisa toda. Se você se integra apenas sobre uma parte de uma superfície fechada, isso significa que você está tratando um subconjunto dela como uma superfície aberta.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Flux of a Uniform Electric Field

    Um campo elétrico constante de magnitude\(E_0\) aponta na direção do eixo z positivo (Figura\(\PageIndex{7}\)). Qual é o fluxo elétrico através de um retângulo com os lados a e b no plano (a) xy e no plano (b) xz?

    Um remendo retangular é mostrado no plano xy. Seu lado ao longo do eixo x é de comprimento a e seu lado ao longo do eixo y é de comprimento b. As setas rotuladas como E subscrito 0 se originam do plano e apontam na direção positiva z.
    Figura\(\PageIndex{7}\): Calculando o fluxo\(E_0\) de uma superfície retangular.

    Estratégia

    Aplique a definição de fluxo:\(\Phi = \vec{E} \cdot \vec{A} \, (uniform \, \vec{E})\), onde a definição de produto escalar é crucial.

    Solução

    1. Nesse caso,\(\Phi = \vec{E}_0 \cdot \vec{A} = E_0 A = E_0 ab\).
    2. Aqui, a direção do vetor de área é ao longo do eixo y positivo ou em direção ao eixo y negativo. Portanto, o produto escalar do campo elétrico com o vetor de área é zero, dando fluxo zero.

    Significância

    As direções relativas do campo elétrico e da área podem fazer com que o fluxo através da área seja zero.

    Fluxo de um campo elétrico uniforme através de uma superfície fechada

    Um campo elétrico constante de magnitude\(E_0\) aponta na direção do eixo z positivo (Figura\(\PageIndex{8}\)). Qual é o fluxo elétrico líquido através de um cubo?

    Um cubo ABCDKFGH é mostrado no centro. Um plano diagonal é mostrado dentro dele de KF a BC. A superfície superior do cubo, FGHK, tem um plano rotulado com menos q ligeiramente acima e paralelo a ele. Da mesma forma, outro plano é rotulado mais q é mostrado um pouco abaixo da superfície inferior do cubo, paralelo a ele. Pequenas setas vermelhas são mostradas apontando para cima a partir do plano inferior, apontando para a superfície inferior do cubo, apontando para cima a partir da superfície superior do cubo e apontando para cima para o plano superior. Eles são rotulados como vetor E.
    Figura\(\PageIndex{8}\): Calculando o fluxo de\(E_0\) através de uma superfície cúbica fechada.

    Estratégia

    Aplique a definição de fluxo:\(\Phi = \vec{E} \cdot \vec{A} \, (uniform \, \vec{E})\), observando que uma superfície fechada elimina a ambigüidade na direção do vetor de área.

    Solução

    Através da face superior do cubo\(\Phi = \vec{E}_0 \cdot \vec{A} = E_0 A\).

    Através da face inferior do cubo,\(\Phi = \vec{E}_0 \cdot \vec{A} = - E_0 A\), porque o vetor de área aqui aponta para baixo.

    Nos outros quatro lados, a direção do vetor de área é perpendicular à direção do campo elétrico. Portanto, o produto escalar do campo elétrico com o vetor de área é zero, dando fluxo zero.

    O fluxo líquido é\(\Phi_{net} = E_0A - E_0 A + 0 + 0 + 0 + 0 = 0\).

    Significância

    O fluxo líquido de um campo elétrico uniforme através de uma superfície fechada é zero.

    Exemplo\(\PageIndex{3}\): Electric Flux through a Plane, Integral Method

    Um campo elétrico uniforme\(\vec{E}\) de magnitude 10 N/C é direcionado paralelamente ao plano yz\(30^o\) acima do plano xy, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{9}\). Qual é o fluxo elétrico através da superfície plana da área\(6.0 \, m^2\) localizada no plano xz? Suponha que\(\hat{n}\) aponte na direção y positiva.

    Uma superfície retangular S é mostrada no plano xz. Três setas marcadas com n que se originam de três pontos na superfície e apontam na direção positiva y. Três setas mais longas denominadas vetor E também se originam dos mesmos pontos. Eles fazem um ângulo de 30 graus com um chapéu.
    Figura\(\PageIndex{9}\): O campo elétrico produz um fluxo elétrico líquido através da superfície S.

    Estratégia

    Aplique\(\Phi = \int_S \vec{E} \cdot \hat{n} dA\), onde a direção e a magnitude do campo elétrico são constantes.

    Solução

    O ângulo entre o campo elétrico uniforme\(\vec{E}\) e a unidade normal em relação\(\hat{n}\) à superfície plana é\(30^o\). Como a direção e a magnitude são constantes, E sai da integral. Tudo o que resta é uma superfície integral sobre dA, que é A. Portanto, usando a equação de superfície aberta, descobrimos que o fluxo elétrico através da superfície é

    \[\Phi = \int_S \vec{E} \cdot \hat{n} dA = EA \, cos \, \theta\]

    \[= (10 \, N/C)(6.0 \, m^2)(cos \, 30^o) = 52 \, N \cdot m^2/C.\]

    Significância

    Novamente, as direções relativas do campo e da área são importantes, e a equação geral com a integral se simplificará para o produto escalar simples da área e do campo elétrico.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Qual ângulo deve haver entre o campo elétrico e a superfície mostrada\(\PageIndex{9}\) na Figura no exemplo anterior para que nenhum fluxo elétrico passe pela superfície?

    Solução

    Posicione-o de forma que sua unidade normal fique perpendicular\(\vec{E}\) a.

    Exemplo\(\PageIndex{4}\) : Inhomogeneous Electric Field

    Qual é o fluxo total do campo elétrico\(\vec{E} = cy^2\hat{k}\) através da superfície retangular mostrada na Figura\(\PageIndex{10}\)?

    Um retângulo chamado S é mostrado no plano xy. Seu lado ao longo do eixo y é de comprimento a e aquele ao longo do eixo x mede b. Uma faixa é marcada no retângulo, com seu comprimento paralelo ao eixo x. Seu comprimento é b e sua largura é seco. Sua área é rotulada como dA igual a b dy. Duas setas são mostradas perpendicularmente a S, n hat igual a k hat e vetor E igual a cy ao quadrado k hat. Eles apontam na direção z positiva.
    Figura\(\PageIndex{10}\): Como o campo elétrico não é constante sobre a superfície, é necessária uma integração para determinar o fluxo.

    Estratégia

    Aplique\(\Phi = \int_S \vec{E} \cdot \hat{n}dA\). Assumimos que a unidade normal\(\hat{n}\) para a superfície dada aponta na direção z positiva, então\(\hat{n} = \hat{k}\). Como o campo elétrico não é uniforme sobre a superfície, é necessário dividir a superfície em faixas infinitesimais ao longo das quais\(\vec{E}\) seja essencialmente constante. Conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{10}\), essas faixas são paralelas ao eixo x e cada faixa tem uma área\(dA = b \, dy\).

    Solução

    A partir da integral da superfície aberta, descobrimos que o fluxo líquido através da superfície retangular é

    \[\begin{align*} \Phi &= \int_S \vec{E} \cdot \hat{n} dA = \int_0^a (cy^2 \hat{k}) \cdot \hat{k}(b \, dy) \\[4pt] &= cb \int_0^a y^2 dy = \frac{1}{3} a^3 bc. \end{align*}\]

    Significância

    Para um campo elétrico não constante, o método integral é necessário.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Se o campo elétrico no Exemplo\(\PageIndex{4}\) for\(\vec{E} = mx\hat{k}\). qual é o fluxo através da área retangular?

    Solução

    \(mab^2/2\)