Onde a demonstração não é deixada como exercício para o leitor.

Exercício 33, Capítulo 24, Fundamentos de Física Vol. 3: barra fina

Halliday & Resnick

Fundamentos de Física – 10a Edição

Volume 3

Capítulo 24: Potencial Elétrico

Exercício 33:

Enunciado:

A barra fina, de plástico, que aparece na Fig. 24-47 tem um comprimento $L=12\;cm$ e uma densidade linear de carga não uniforme $\lambda=cx$, em que $c=28,9\;pC/m^2$…. para ter acesso ao enunciado completo, cheque a disponibilidade do livro na biblioteca da sua instituição de ensino. O livro também pode ser adquirido através desse link.

Dados relevantes fornecidos no enunciado:

  • Barra fina tem comprimento $L=12\;cm$ e densidade linear não uniforme $\lambda=cx$;
  • $c=28,9\;pC/m^2$ e $V=0$ no infinito.
  • Item Único:

    A imagem da barra fina se encontra na Figura 24-47 do livro. O exercício nos pergunta o potencial elétrico no ponto $P_1$ do eixo $x$ a uma distância $d=3\;cm$ de uma das extremidades. Como sabemos, o potencial produzido por uma distribuição contínua de cargas é dado por:

    $$
    V = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int \frac{dq}{r}
    \tag{1}$$

    No nosso caso, um infinitesimal de carga da barra está associado a um infinitesimal de comprimento através da densidade da barra:

    $$
    dq = \lambda dx = cxdx
    \tag{2}$$

    Na integral, $r$ é a distância entre o ponto em que estamos integrando, digamos $x$ e o ponto $P_1$, que está a uma distância $d$ da barra. Portanto, $r=x+d$ e a integração irá ocorrer em $x$ delimitado pelas extremidades da barra, ou seja, de $0$ a $L$:

    $$
    V = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int_0^L \frac{cxdx}{x+d}
    \tag{3}$$

    Podemos encontrar a solução dessa integral no Apêndice E do livro em ‘Derivadas e Integrais’, no qual nossa integral é a número 21. Usando esse resultado, temos:

    $$
    V = \frac{c}{4\pi\epsilon_0} \Big|_0^{L} = \frac{c}{4\pi\epsilon_0} {L-d\ln (L+d)-} = \frac{c}{4\pi\epsilon_0}
    \tag{4}$$

    Substituindo os valores:

    $$
    V = \frac{28,9\times10^{-12}\;C/m^2}{4\pi(8,85\times10^{-12}\;C^2/Nm^2)}
    \tag{5}$$

    Resultando:

    $$
    \boxed{V=1,86\times10^{-2}\;V=18,6\;mV}
    \tag{6}$$

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