D.2 · Campos elétricos e magnéticos

Esta apostila cobre tópicos selecionados de HL para o curso avaliado pela primeira vez em 2025; não constitui o programa completo.

Pré-requisitos: ler as quantidades e unidades declaradas, e usar aritmética e as condições do modelo abaixo.

Os exemplos são originais e fictícios: não são medições reais nem investigações reais de estudantes.

O que explicaria esta observação?

• Uma partícula carregada negativamente experimenta uma força elétrica oposta à direção do campo. A direção do campo é definida usando uma carga de prova positiva.

Construa o modelo

• Intensidade do campo elétrico é a força por unidade de carga de prova positiva.
• Cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem.
• As linhas de campo apontam para longe das cargas positivas e em direção às cargas negativas.
• Linhas próximas representam um campo mais forte dentro de um diagrama desenhado consistentemente.
• intensidade do campo elétrico: Força elétrica por unidade de carga de prova positiva.
• carga de prova: Uma pequena carga usada para sondar um campo elétrico.

Escolha evidências que possam testá-lo

• Em um campo uniforme entre placas paralelas ideais, E = V/d, desprezando efeitos de borda.
• A força é F = qE, portanto sua direção inverte-se para uma carga negativa.
• A força de Coulomb entre cargas pontuais ideais diminui com o quadrado da separação.

No laboratório: Rabisque as polaridades das placas rotuladas, setas do campo e a carga antes de calcular. Converta a separação para metros. Na escola, use simulações ou modelos eletrostáticos de baixa tensão aprovados em vez de equipamentos expostos de alta tensão.

Trabalhe a partir de quantidades conhecidas

• Conhecido: diferença de potencial das placas é 120 V e separação é 0.020 m.
• E = V/d = 6,000 V/m.
• Uma carga +2.0 microcoulomb experimenta F = qE = 0.012 N ao longo do campo; uma carga −2.0 microcoulomb experimenta a mesma magnitude na direção oposta.

Sua vez: Use E = V/d. Encontre E para 100 V sobre 0.025 m.

Verifique a conclusão e seus limites

• A intensidade do campo é um vetor.
• Diferença de potencial é energia por carga e não é a mesma quantidade física.
• Um desenho de linhas de campo é um modelo, não um conjunto de fios físicos.

Não é verdade: Toda partícula carregada experimenta uma força ao longo da direção do campo elétrico. A direção do campo é definida pela força sobre uma carga POSITIVA. Uma partícula negativa sente uma força oposta ao campo, então a direção do campo não é a direção da força de cada partícula.

Chave:

• Intensidade do campo elétrico é força por unidade de carga de prova positiva.
• Em um campo uniforme entre placas paralelas ideais, E = V/d, desprezando efeitos de borda.
• Atenção: a intensidade do campo é um vetor.

Escreva a partir de um campo de 5000 volts por metro

• Uma diferença de potencial de 80 V está sobre uma separação de 0.016 m.
• Encontre a intensidade do campo elétrico. Uma carga negativa sente a força oposta.

Escreva a partir de um ganho de energia de 3.2 vezes dez elevado a menos 17 joules

• Um próton (carga 1.6 × 10⁻¹⁹ C) acelera através de 200 V.
• Energia = qV = 3.2 × 10⁻¹⁷ J = 200 eV — o volt é energia por unidade de carga, então uma diferença de potencial de 200 V fornece exatamente 200 eV a um próton.

Escreva a partir de um caminho de trabalho nulo

• Uma carga move-se ao longo de uma superfície equipotencial.
• ΔV = 0, logo a variação de energia qΔV = 0 — o campo não realiza trabalho; movimento perpendicular às linhas de campo não altera nada.

Escreva a partir de um par de forças em um único campo

• Entre placas com E = 6,000 V por metro, cargas de +2.0 e −2.0 microcoulombs estão posicionadas sucessivamente.
• Cada uma sente uma força de 0.012 N — MESMO tamanho, direções opostas: o campo age sobre a carga, nunca por ela.

Escreva a partir de um campo entre placas

• Placas paralelas separadas 0.040 m possuem uma diferença de potencial de 160 V.
• E = V ÷ d = 4,000 V por metro, uniforme entre as placas — o campo que uma carga sente é igual em todo o espaço.