1. Campo elétrico 1
Campo elétrico
Eletromagnetismo
Representação do vetor campo elétrico de uma onda eletromagnética circularmente polarizada.
Um campo elétrico (AO 1945: campo eléctrico) é o campo de força provocado pela ação de cargas elétricas,
(elétrons, prótons ou íons) ou por sistemas delas. Cargas elétricas colocadas num campo elétrico estão sujeitas à ação
de forças elétricas, de atração e repulsão.
A fórmula usada para se calcular a intensidade do vetor campo elétrico (E) é dada pela relação entre a força elétrica
(F) e a carga de prova (q):
Unidade no Sistema Internacional de Unidades:
História
Os estudos a respeito da eletricidade estática, criadora dos campos eléctricos, remontam a Tales de Mileto. O
filósofo e estudioso da natureza descreveu o fenômeno que consiste em uma barra de âmbar (seiva petrificada) que
atrai pequenos objetos depois de esfregada com uma pele de coelho. No quotidiano, é o mesmo que esfregar uma
caneta de plástico (material isolante) contra um pano ou o próprio cabelo. Em ambas as situações, o objecto fica
eletricamente carregado.
A explicação da força entre partículas através da existência de um campo vem desde a época em que foi
desenvolvida a teoria da gravitação universal. A dificuldade em aceitar que uma partícula possa afetar outra partícula
distante, sem existir nenhum contato entre elas, foi ultrapassada na física clássica com o conceito do campo de força.
No caso da força eletrostática, o campo mediador que transmite a força eletrostática foi designado por éter; a luz
seria uma onda que se propaga nesse éter lumínico. No século XIX foram realizadas inúmeras experiências para
detetar a presença do éter, sem nenhum sucesso.
No fim do século chegou-se à conclusão de que não existe tal éter. No entanto, o campo elétrico tem existência
física, no sentido de que transporta energia e que pode subsistir até após desaparecerem as cargas que o produzem.
Na física quântica a interação elétrica é explicada como uma troca de partículas mediadoras da força, que são as
mesmas partículas da luz, os fotões. Cada carga lança alguns fotões que são absorvidos pela outra carga; no entanto,
neste capítulo falaremos sobre a teoria clássica do campo, onde o campo é como um fluido invisível que arrasta as
cargas elétricas.

2. Campo elétrico 2
Vetor campo elétrico
Campo elétrico gerado pela carga Q
O campo elétrico em um ponto é uma
grandeza vetorial, portanto é representado
por um vetor. Para verificarmos a sua
presença neste ponto, colocamos neste uma
carga de prova positiva. Se esta ficar sujeita
a uma força eletrostática, dizemos que a
região em que a carga se encontra está
sujeita a um campo elétrico. O vetor campo
elétrico tem sempre a mesma direção da força a que a carga está sujeita e, no caso da carga ser positiva, o mesmo
sentido. Se negativa o oposto. O módulo é calculado da seguinte forma:
onde, caso a carga seja puntiforme, (lei de Coulomb)
O módulo do vetor campo elétrico pode ser definido por:
Substituindo
, é a constante eletrostática do meio e é a constante de
permissividade do vácuo.
Nota-se, por essa expressão, que o campo elétrico gerado por uma carga em um ponto é diretamente proporcional ao
seu valor e inversamente proporcional ao quadrado da distância.
Campo elétrico devido a uma carga elétrica
O campo elétrico sempre "nasce" nas cargas positivas (vetor) e "morre" nas cargas negativas. Isso explica o sentido
do vetor mencionado acima. Quando duas cargas positivas são colocadas próximas uma da outra, o campo elétrico é
de afastamento, gerando uma região entre as duas cargas isenta de campo elétrico. O mesmo ocorre para cargas
negativas, com a diferença de o campo elétrico ser de aproximação. Já quando são colocadas próximas uma carga
positiva e uma negativa, o campo "nasce" na primeira, e "morre" na segunda.
Na equação: F = K.Q.q/d² , K é a constante eletrostática do meio e não a constante dielétrica.
Campo elétrico uniforme
É definido como uma região em que todos os pontos possuem o mesmo vetor campo elétrico em módulo, direção e
sentido. Sendo assim, as linhas de força são paralelas e equidistantes.
Para produzir um campo com essas características, basta utilizar duas placas planas e paralelas eletrizadas com
cargas de mesmo módulo e sinais opostos. Um capacitor pode ser citado como exemplo de criador de um campo
elétrico uniforme.

3. Campo elétrico 3
Linhas de força
As cargas de prova positivas encontram-se em movimento dentro de um campo elétrico. A partir da trajetória dessas
cargas, traçam-se linhas que são denominadas linhas de força, que têm as seguintes propriedades:
1.1. Saem de cargas positivas e chegam nas cargas negativas;
2.2. As linhas são tangenciadas pelo campo elétrico;
3.3. Duas linhas de força nunca se cruzam;
4.4. A intensidade do campo elétrico é proporcional à concentração das linhas de força.
Campo elétrico gerado por uma esfera (oca) condutora
Quando uma esfera está eletrizada, as cargas em excesso repelem-se mutuamente e por isso migram para a superfície
externa da esfera, atingindo o equilíbrio eletrostático. Assim, o campo elétrico dentro da esfera (em equilíbrio
eletrostático) é nulo, já que não há uma força que atraia uma carga para dentro do corpo. Lembrando que na
superfície da esfera, K|Q|/d é multiplicado por 1/6.

4. Campo elétrico 4
1. (No interior da Esfera)
2. (superfície exterior próxima da esfera)
3. (distante da esfera), onde R é o raio da esfera.
Campo elétrico produzido por cargas pontuais
A equação para o módulo do campo produzido por uma carga pontual pode ser escrita de forma vetorial.
[1]
Se a
carga Q estiver na origem, o resultado obtido é:
Campos produzidos por duas cargas de 4 nC e 9 nC em alguns pontos (lado esquerdo) e o
campo resultante nesses pontos (lado direito)
sendo r a distância até a origem, e
o vetor unitário que aponta na direção
radial, afastando-se da carga.
Se a carga for negativa, a equação
anterior continua válida, dando um
vetor que aponta no sentido oposto de
(campo atrativo).
O vetor unitário calcula-se
dividindo o vetor posição pelo seu
módulo, r.
Se a carga não estiver na origem mas numa posição a equação acima pode ser generalizada facilmente, dando o
resultado
[1]
:
O campo produzido por um sistema de cargas pontuais obtém-se somando vetorialmente os campos produzidos por
cada uma das cargas.
Por exemplo o lado esquerdo na figura acima à direita mostra os campos produzidos por duas cargas pontuais de 4
nC e 9 nC em alguns pontos. O lado direito mostra o campo resultante, obtido somando vetorialmente os dois
campos.
A equação anterior pode ser generalizada para um sistema de n cargas pontuais. Vamos escrever a equação
explicitamente, em função das coordenadas cartesianas no plano xy (a generalização para o espaço xyz será
evidente).
Se as cargas estiverem nos pontos , o resultado é:

5. Campo elétrico 5
Lei de Gauss no Campo
O fluxo elétrico produzido por várias cargas pontuais, através de uma superfície fechada, é igual à soma dos fluxos
produzidos por cada uma das cargas. O fluxo das cargas pontuais que estejam fora da superfície fechada será nulo, e
o fluxo das cargas que estejam dentro da superfície será vezes o valor da carga. Por exemplo, no caso da
figura abaixo, unicamente as duas cargas e produzem fluxo, porque a carga encontra-se fora da superfície.
O fluxo total é:
O fluxo elétrico através da superfície fechada depende unicamente da
carga interna, neste caso q1 + q2.
O resultado do exemplo da figura acima pode ser
generalizado para qualquer sistema de cargas e
qualquer superfície fechada, e é designado de Lei de
Gauss:
O fluxo através de qualquer superfície fechada é igual à
carga total no interior da superfície, multiplicada por
Em termos matemáticos, a lei de Gauss determina que
o fluxo elétrico através de qualquer superfície fechada
é:
Se a carga total no interior for positiva, o fluxo será
positivo, indicando que há linhas de campo a sairem da
superfície. Se a carga interna total for negativa, o fluxo é negativo porque há linhas de campo a entrar na superfície.
O fluxo elétrico total à volta de uma carga pontual é diretamente proporcional à carga. Em alguns casos é possível
desenhar um número de linhas de campo proporcional à carga, para dar uma ideia mais aproximada do valor do
fluxo em diferentes regiões; por exemplo, na figura anterior foram desenhadas 8 linhas de campo a saírem da carga
de 4 nC, e 18 linhas a saírem da carga de 9 nC.
A lei de Gauss é muito útil para calcular campos elétricos de sistemas com simetria.
Campo de um plano

6. Campo elétrico 6
Cilindro imaginário usado para calcular o campo do plano.
Consideremos um plano, com carga distribuída
uniformemente. Visto de lado, o plano aparece como
um segmento de reta, e as linhas de campo serão
semelhantes às linhas representadas no lado direito da
figura ao lado.
[1]
Nas regiões perto do centro do plano, as linhas de
campo são aproximadamente paralelas entre si. Quanto
maior for o plano, maior será a região onde as linhas
são aproximadamente paralelas.
[1]
No caso idealizado de um plano infinito, as linhas serão
completamente paralelas e equidistantes, já que a
aparência do plano seria a mesma em qualquer ponto.
Para calcular o campo elétrico usando a lei de Gauss,
imaginamos um cilindro com as tampas paralelas ao
plano, como se mostra na figura.
Nas paredes laterais do cilindro não existe fluxo elétrico, porque o campo é paralelo à superfície. Em cada uma das
tampas circulares do cilindro, o campo é perpendicular e, com módulo constante, devido a que todos os pontos na
tampa estão à mesma distância do plano.
Assim, o fluxo em cada uma das tampas do cilindro é , , em que A é a área da tampa, e o fluxo total através do
cilindro é
[1]
:
De acordo com a lei de Gauss, esse fluxo também deverá ser igual a:
Onde Q é a carga na parte do plano que está dentro do cilindro. Igualando as duas últimas equações obtemos o
módulo do campo:
Em que é a carga superficial; nomeadamente, carga por unidade de área:
Campo de um fio retilíneo
Linhas de campo de um cilindro com carga distribuida uniformemente, e superfície
usada para calcular o campo.
Consideremos um fio retilíneo, muito
comprido, com carga distribuída
uniformemente. As linhas de campo deverão
ser nas direções radiais. Imaginemos uma
superfície fechada que é um cilindro de raio
R e altura L, com eixo sobre o fio, como
mostra a figura abaixo.
[1]
Nas tampas circulares do cilindro o fluxo é
nulo, porque o campo é paralelo à
superfície; na parede lateral do cilindro, o
campo é perpendicular e com módulo
constante.
[1]
Assim, o fluxo total será:

7. Campo elétrico 7
onde E é o módulo do campo à distância R do fio. De acordo com a lei de Gauss, esse fluxo deverá ser também igual
a:
onde Q é a carga do fio que está dentro do cilindro S. Igualando as duas equações anteriores, obtemos o módulo do
campo:
em que é a carga linear (carga por unidade de comprimento):
Campo de uma esfera condutora
Numa esfera condutora, com carga Q e raio a, a força repulsiva entre as cargas do mesmo sinal, faz com que as
cargas se distribuam em forma uniforme, na superfície da esfera. Existe assim simetria esférica, e as linhas de campo
deverão apontar na direção radial.
[1]
Para calcular o campo, imaginamos uma esfera de raio r,concêntrica com a esfera condutora.
[1]
Na superfície dessa
esfera, o campo será perpendicular, e com módulo constante E ; consequentemente o fluxo será:
Segundo a lei de Gauss, o fluxo através da esfera de raio r será nulo, se , ou igual a se .
Portanto, o campo elétrico é nulo, no interior da esfera.
Fora da esfera o campo é:
Que é idêntico ao campo produzido por uma carga Q concentrada no centro da esfera.
[1]
Campo elétrico induzido
Um campo magnético variável no tempo induz um campo elétrico, e um campo elétrico variável induz um campo
magnético.
O campo elétrico induzido é proporcional à derivada do fluxo magnético, e o campo magnético induzido é
proporcional à derivada do fluxo elétrico. Quando um campo é uniforme, o fluxo através de uma superfície é maior
se a superfície for perpendicular ao campo; isso implica que o campo induzido é perpendicular ao campo variável.
[1]
Campo elétrico induzido por um campo magnético uniforme mas variável(esquerda) e
campo magnético induzido por um campo elétrico uniforme ,mas variável (direita).
A figura ao lado mostra o campo
elétrico induzido por um campo
magnético uniforme mas variável, e o
campo magnético induzido por um
campo elétrico uniforme e variável. No
primeiro caso, devido ao sinal negativo
, o campo elétrico induzido é no
sentido oposto ao obtido com a regra
da mão direita em relação à derivada
do campo magnético; como o campo
magnético está a diminuir, a derivada
do campo aponta para baixo e a regra

8. Campo elétrico 8
da mão direita indica rotação no sentido horário; portanto, as linhas do campo induzido estão orientadas no sentido
antihorário.
O sinal positivo do último termo implica que as linhas do campo magnético induzido seguem a regra da mão direita
em relação ao aumento do campo elétrico. No caso do campo elétrico variável no lado direito da figura , como o
campo está a diminuir, a derivada do campo elétrico aponta para baixo, e a regra da mão direita indica que o campo
magnético induzido é no sentido horário.
[1]
Propriedades das linhas de campo elétrico
Linhas de campo elétrico perto de uma carga negativa (esquerda) e de uma carga
positiva (direita).
O campo elétrico pode ser representado por
vetores que indicam o valor do campo em
vários pontos do espaço, como foi feito na
figura acima. O problema com essa
representação é que o campo varia
rapidamente com a distância, o que faz com
que o vetor seja muito grande em alguns
pontos e muito pequeno em outros pontos.
A representação usando linhas de campo é
mais conveniente. As linhas de campo
seguem a direção do campo. Em cada ponto numa dessas curvas, o campo é tangente à curva e no sentido indicado
pelas setas.
As linhas de campo elétrico têm várias propriedades:
•• Perto de uma carga pontual positiva há linhas a sair em todas as direções e perto de
uma carga negativa há linhas a entrarem em todas as direções .
•• Duas linhas de campo nunca se podem cruzar; no ponto de cruzamento o campo
teria duas direções diferentes, que não é possível.
• A matriz jacobiana correspondente ao
campo elétrico é sempre simétrica. Isso implica que os valores próprios dessa matriz serão sempre reais e nunca
complexos. Assim, os únicos pontos de equilíbrio que podem existir num campo elétrico são nós e pontos de sela.
Campo elétrico criado por um dipolo (esquerda) e por um sistema de 7 cargas no
segmento de reta entre x = - 3 e x = 3.
Um nó pode ser atrativo ou repulsivo. Se for
atrativo, será um ponto onde existe uma
carga pontual negativa; se for repulsivo, será
um ponto onde existe uma carga pontual
positiva. Os pontos de sela são pontos onde
o campo é nulo, mas não existe nenhuma
carga nesse ponto.
Outro exemplo são as linhas de campo de
um dipolo elétrico, formado por duas cargas
iguais mas de sinais opostos. Se admitirmos
que as duas cargas estão localizadas nos
pontos ( 1, 0) e (1, 0), o campo desenha-se
assim:
O resultado aparece no lado esquerdo acima à direita
Uma distribuição contínua de cargas pode ser aproximada por uma série de cargas pontuais. Por exemplo, se
existirem cargas distribuídas uniformemente no segmento do eixo dos x entre x = - 3 e x = 3, podemos admitir um

9. Campo elétrico 9
sistema de cargas pontuais, equidistantes, sobre o segmento entre x = - 3 e x = 3.
Com 7 cargas pontuais, o gráfico obtido é apresentado no lado direito da figura ao lado.
Bibliografia
• Tipler, Paul A. - Física (4a Edição), Vol 2. Editora LTC
Referências
[1] [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0)
ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 15 jun. 2013.

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