Como se pode criar campos elétricos uniformes? Onde esse tipo de campo pode ser encontrado na natureza?
Passo 1
O enunciado pergunta como gerar na prática um campo elétrico que tenha módulo e direção constantes em toda a região (isto é, um campo elétrico uniforme) e onde, na natureza, podemos ver algo parecido. O conteúdo aqui é eletrostática, usando distribuição de carga e princípio de superposição ou de Gauss para obter um campo uniforme.
Passo 2
Em laboratório, o jeito mais comum é usar um capacitor de placas paralelas: duas placas metálicas grandes e paralelas, separadas por uma distância
. Se desprezarmos os efeitos de borda, o campo entre elas é praticamente constante e satisfaz
onde
é a diferença de potencial aplicada. Em termos de densidade superficial de carga
em cada placa, vale também
com
a permissividade do vácuo.
Passo 3
Outra forma idealizada é usar planos infinitos carregados. Um único plano com densidade
gera em cada lado um campo
mas se tivermos dois planos paralelos com cargas opostas
, o campo entre eles soma e torna-se
sempre apontando de um plano para o outro, independente da posição entre eles.
Passo 4
Na natureza, embora não exista um “capacitor de placas perfeitas”, há ambientes onde o campo é aproximadamente uniforme em regiões grandes:
O campo elétrico de fair-weather perto da superfície terrestre fica em torno de e é quase vertical e constante em dezenas de metros. Em nuvens de tempestade, o campo entre a base carregada da nuvem e o solo pode chegar a
, também mantendo direção bem definida até o instante do raio.
O campo elétrico de fair-weather perto da superfície terrestre fica em torno de
Passo 5
Portanto, campos quase uniformes aparecem sempre que grandes superfícies carregadas (ou placas de nuvem) criam regiões com distribuição de carga quase constante. Nas proximidades desses corpos, o campo se torna uniforme até onde os efeitos de borda ou curvatura ainda são desprezíveis.
Resposta
Campos elétricos uniformes podem ser gerados artificialmente com capacitores de placas paralelas (ou com planos carregados infinitos idealizados), onde
Na natureza, encontramos aproximações a esse tipo de campo no campo atmosférico de fair-weather (
) e, em tempestades, entre a base das nuvens carregadas e o solo (
).