Especifique detalhamente sobre: As Definições, As Formulas, As Importância e As Aplicações de Campo Elétrico de um Plano Infinito:
Passo 1
Beleza, o enunciado tá pedindo pra gente falar tudo sobre o campo elétrico de um plano infinito: definição, fórmulas, por que isso é importante e onde a gente usa na prática. O conteúdo envolve principalmente a Lei de Gauss (que é uma ramificação do eletromagnetismo), o conceito de densidade de carga superficial (σ) e a simetria do plano infinito. Vamos precisar entender o que é campo elétrico, o que significa “plano infinito carregado” e como aplicar a Lei de Gauss de um jeito bem tranquilo.
Passo 2
Definições
- Campo elétrico (E): é um vetor que diz qual força uma carga de teste positiva sentiria por unidade de carga. Matematicamente,
- Plano infinito carregado: imagina uma folha sem bordas, com carga distribuída uniformemente por toda a sua superfície. A densidade superficial de carga é
- Simetria: como o plano é “infinito”, o campo tem sempre a mesma intensidade em qualquer ponto a dada distância do plano, e ele aponta perpendicular ao plano (pra fora dos dois lados).
Passo 3
Fórmulas e derivação com a Lei de Gauss
A Lei de Gauss diz que o fluxo do campo elétrico atravessando uma superfície fechada é igual à carga interna dividida por ε₀:
A Lei de Gauss diz que o fluxo do campo elétrico atravessando uma superfície fechada é igual à carga interna dividida por ε₀:
Pra aplicar, a gente escolhe uma “caixinha” (um cilindro gaussiano) que cruza o plano em duas tampas circulares de área A.
- Como o campo é perpendicular ao plano e uniforme nas tampas, o fluxo total é
- A carga interna dentro do cilindro é σA.
Então:
Esse é o resultado principal: o campo é constante (não depende da distância) e vale
Passo 4
Importância
- Uniformidade do campo: é um dos poucos casos ideais onde E não varia com a distância, o que simplifica muito análise e experimentos.
- Base conceitual: ajuda a entender fenômenos de blindagem eletrostática e a diferença entre campos “infinitos” e “pontuais”.
- Modelo para capacitores: placas grandes e paralelas se comportam quase como planos infinitos no meio delas, gerando um campo quase uniforme.
Passo 5
Aplicações práticas
- Capacitor de placas paralelas: duas placas grandes carregadas com σ e –σ criam um campo uniforme entre elas, muito usado em circuitos.
- Blindagem eletrostática: em gabinetes metálicos, as superfícies comportam-se como “planos” que mantêm o campo interno praticamente zero.
- Experimentos de laboratório: estudar partículas carregadas num campo uniforme (como em tubos de raios catódicos).
Resposta
O campo elétrico criado por um plano infinito com densidade superficial de carga σ é uniforme e perpendicular ao plano, dado por
e essa simplicidade torna o modelo fundamental para capacitores, blindagem eletrostática e diversos experimentos de eletrostática.