Física II - Simulador da Unidade 2: Campo Elétrico e Lei de Gauss

Laboratório de Mapeamento de Campo Elétrico 2D Prática (4h)

Simule a interação entre cargas elétricas. Observe os vetores de campo elétrico E = k · Σ(q_i / r_i²), linhas de equipotencial (V = constante) e a força exercida sobre uma carga de teste.

BANCADA DE MAPEAMENTO ELETROSTÁTICO Posição (x, y) | |E| = --- N/C | V = --- V

Vetores de Campo $\vec{E}$ Linhas Equipotenciais $V$

Propriedades da Carga de Teste (q₀)

Carga de Teste (q₀): +1.0 pC

Força Eletrostática Medida (F = q₀ · E):

|F| = 0.00 nN

|E| = 0.00 N/C

V = 0.00 Volts

📐 Princípio da Sobreposição

Campo Resultante:

E_resultante = Σ (k · q_i / r_i²)

Potencial Escalar:

V_resultante = Σ (k · q_i / r_i)

Fluxo Elétrico & Superfícies Gaussianas (Lei de Gauss) Teórica (4h)

Estudo da relação fundamental entre a carga envolta Q_enc e o fluxo elétrico total: Φ_E = ∫ E · dA = Q_enc / ε₀.

SUPERFÍCIE GAUSSIANA ESFÉRICA Φ_E = 112.9 N·m²/C

Carga Envolta (Q_enc): +1.0 nC

Raio da Gaussiana (r): 1.5 m

📐 Equações de Campo & Fluxo

Fluxo Elétrico Total (Φ_E):

Φ_E = Q / ε₀ = 112.94 N·m²/C

Intensidade do Campo no Raio r (E):

E = 3.99 N/C

Área da Superfície Gaussiana (A):

A = 28.27 m²

💡 Teorema da Independência do Formato

O fluxo elétrico líquido através de qualquer superfície fechada depende exclusivamente da quantidade de carga total contida no seu interior (Q_enc), independentemente da forma ou tamanho da superfície!

Condutores em Equilíbrio Eletrostático & Blindagem (Gaiola de Faraday) Teórico-Prática (4h)

Demonstração das 4 propriedades dos condutores ideais: E_interno = 0, acúmulo de carga na superfície exterior, campo perpendicular à superfície e blindagem eletrostática.

GAIOLA DE FARADAY E BLINDAGEM DE CAMPO EXTERNO Campo Interno: E = 0 N/C (Protegido)

Campo Elétrico Externo (E_ext): 500 N/C

Espessura da Blindagem Metálica: Média (Alumínio)

Regras Eletrostáticas em Condutores

1. Campo Interno Nulo:

E = 0 em qualquer ponto no interior do material condutor.

2. Carga em Excesso na Superfície:

Toda a carga líquida reside inteiramente na superfície externa.

3. Perpendicularidade do Campo:

O campo E exterior é sempre perpendicular à superfície (E = σ / ε₀).

4. Poder das Pontas:

A densidade de carga σ acumula-se preferencialmente em regiões de menor raio de curvatura (pontas).

Física Aplicada: Riscos de Descarga Eletrostática (ESD) em Hardware Trabalho Autónomo (4h)

Estudo do rompimento da rigidez dielétrica do ar (E_crítico ≈ 3 MV/m), modelo do corpo humano (V = Q/C) e proteção de microchips delicados (MOSFETs).

1. Acúmulo de Tensão Triboolétrica no Corpo Humano

Tensão Acumulada no Corpo (V): 4000 Volts (4 kV)

Distância de Aproximação do Pino de CI (d): 1.2 mm

Campo Elétrico no Ar (E = V/d): 3.33 MV/m (DESCARGA!)

2. Limites de Tolerância de Componentes Eletrónicos

Transístor MOSFET (Gate Oxide): Dano em > 100 V

Memória RAM (CMOS): Dano em > 300 V

Processador CPU moderna (3nm): Dano em > 30 V

Sensibilidade Humana a Choque: Percebido apenas em > 3000 V

🛡️ Protocolos de Proteção Anti-ESD:

Como a sensibilidade do ser humano é de cerca de 3000V, um operador pode destruir um microchip sem sentir a descarga! Em laboratórios de hardware, utiliza-se pulseira antiestática com resistência de 1 MΩ, manta condutora aterrada e ionizadores de ar.

Condutores em Equilíbrio Eletrostático & Blindagem (Gaiola de Faraday) Teórico-Prática (4h)

Demonstração das 4 propriedades dos condutores ideais: $E_{\text{interno}} = 0$, acúmulo de carga na superfície exterior, campo perpendicular à superfície e blindagem eletrostática.

GAIOLA DE FARADAY E BLINDAGEM DE CAMPO EXTERNO Campo Interno: E = 0 N/C (Protegido)

Campo Elétrico Externo ($E_{\text{ext}}$): 500 N/C

Espessura da Blindagem Metálica: Média (Alumínio)

Regras Eletrostáticas em Condutores

1. Campo Interno Nulo:

$E = 0$ em qualquer ponto no interior do material condutor.

2. Carga em Excesso na Superfície:

Toda a carga líquida reside inteiramente na superfície externa.

3. Perpendicularidade do Campo:

O campo $\vec{E}$ exterior é sempre perpendicular à superfície ($E = \sigma/\varepsilon_0$).

4. Poder das Pontas:

A densidade de carga $\sigma$ acumula-se preferencialmente em regiões de menor raio de curvatura (pontas).

Física Aplicada: Riscos de Descarga Eletrostática (ESD) em Hardware Trabalho Autónomo (4h)

Estudo do rompimento da rigidez dielétrica do ar ($E_{\text{crit}} \approx 3 \text{ MV/m}$), modelo do corpo humano ($V = Q/C$) e proteção de microchips delicados (MOSFETs).

1. Acúmulo de Tensão Triboolétrica no Corpo Humano

Tensão Acumulada no Corpo ($V$): 4000 Volts (4 kV)

Distância de Aproximação do Pino de CI ($d$): 1.2 mm