Características Potenciais do Gradiente, Cálculo e Exemplo

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Anthony Golden
Características Potenciais do Gradiente, Cálculo e Exemplo

O gradiente potencial é um vetor que representa a taxa de variação do potencial elétrico em relação à distância em cada eixo de um sistema de coordenadas cartesianas. Assim, o vetor gradiente de potencial indica a direção em que a taxa de variação do potencial elétrico é maior, em função da distância.

Por sua vez, o módulo do gradiente de potencial reflete a taxa de variação da variação do potencial elétrico em uma determinada direção. Se o valor disso for conhecido em cada ponto de uma região espacial, então o campo elétrico pode ser obtido a partir do gradiente de potencial.

O campo elétrico é definido como um vetor, portanto, possui direção e magnitude específicas. Ao determinar a direção em que o potencial elétrico diminui mais rapidamente - longe do ponto de referência - e dividir esse valor pela distância percorrida, a magnitude do campo elétrico é obtida.

Índice do artigo

  • 1 recursos
  • 2 Como calcular?
  • 3 exemplo
    • 3.1 Exercício
  • 4 referências

Caracteristicas

O gradiente de potencial é um vetor delimitado por coordenadas espaciais específicas, que mede a relação de variação entre o potencial elétrico e a distância percorrida por esse potencial.. 

As características mais marcantes do gradiente de potencial elétrico são detalhadas a seguir:

1- O gradiente de potencial é um vetor. Portanto, tem uma magnitude e direção específicas.

2- Como o gradiente de potencial é um vetor no espaço, ele tem magnitudes direcionadas nos eixos X (largura), Y (altura) e Z (profundidade), se o sistema de coordenadas cartesianas for tomado como referência.

3- Este vetor é perpendicular à superfície equipotencial no ponto em que o potencial elétrico é avaliado.

4- O vetor gradiente de potencial é direcionado para a direção de variação máxima da função potencial elétrico em qualquer ponto.

5- O módulo do gradiente de potencial é igual à derivada da função potencial elétrico em relação à distância percorrida na direção de cada um dos eixos do sistema de coordenadas cartesianas.

6- O gradiente potencial tem valor zero em pontos estacionários (máximos, mínimos e pontos de sela).

7- No sistema internacional de unidades (SI), as unidades de medida do gradiente de potencial são volts / metros.

8- A direção do campo elétrico é a mesma em que o potencial elétrico diminui sua magnitude mais rapidamente. Por sua vez, o gradiente potencial aponta na direção em que o valor potencial aumenta em relação a uma mudança na posição. Então, o campo elétrico tem o mesmo valor do gradiente de potencial, mas com o sinal oposto.

Como calcular?

A diferença de potencial elétrico entre dois pontos (ponto 1 e ponto 2), é dada pela seguinte expressão:

Onde:

V1: potencial elétrico no ponto 1.

V2: potencial elétrico no ponto 2.

E: magnitude do campo elétrico.

Ѳ: ângulo da inclinação do vetor de campo elétrico medido em relação ao sistema de coordenadas.

Ao expressar esta fórmula diferencialmente, o seguinte:


O fator E * cos (Ѳ) refere-se ao módulo do componente do campo elétrico na direção de dl. Seja L o eixo horizontal do plano de referência, então cos (Ѳ) = 1, assim:

Doravante, o quociente entre a variação do potencial elétrico (dV) e a variação da distância percorrida (ds) é o módulo do gradiente de potencial para o referido componente. 

Daí segue-se que a magnitude do gradiente de potencial elétrico é igual à componente do campo elétrico na direção de estudo, mas com o sinal oposto.

No entanto, como o ambiente real é tridimensional, o gradiente potencial em um determinado ponto deve ser expresso como a soma de três componentes espaciais nos eixos X, Y e Z do sistema cartesiano..

Ao quebrar o vetor do campo elétrico em seus três componentes retangulares, temos o seguinte:

Se houver uma região do plano em que o potencial elétrico tenha o mesmo valor, a derivada parcial deste parâmetro em relação a cada uma das coordenadas cartesianas será zero.

Assim, em pontos que estão em superfícies equipotenciais, a intensidade do campo elétrico terá magnitude zero.

Finalmente, o vetor gradiente de potencial pode ser definido exatamente como o mesmo vetor de campo elétrico (em magnitude), com o sinal oposto. Assim nós temos o seguinte:

Exemplo

A partir dos cálculos anteriores, é necessário:

Agora, antes de determinar o campo elétrico em função do gradiente de potencial, ou vice-versa, deve-se primeiro determinar qual é a direção em que a diferença de potencial elétrico cresce.

Em seguida, é determinado o quociente da variação do potencial elétrico e a variação da distância líquida percorrida.

Desta forma, obtém-se a magnitude do campo elétrico associado, que é igual à magnitude do gradiente de potencial naquela coordenada..

Exercício

Existem duas placas paralelas, conforme refletido na figura a seguir.

Passo 1

A direção de crescimento do campo elétrico é determinada no sistema de coordenadas cartesianas.

O campo elétrico cresce apenas na direção horizontal, dada a disposição das placas paralelas. Conseqüentemente, é possível deduzir que os componentes do gradiente potencial no eixo Y e no eixo Z são zero..

Passo 2

Os dados de interesse são discriminados.

- Diferença de potencial: dV = V2 - V1 = 90 V - 0 V => dV = 90 V.

- Diferença na distância: dx = 10 centímetros.

Para garantir a consistência das unidades de medida usadas de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, as quantidades que não são expressas em SI devem ser convertidas de acordo. Assim, 10 centímetros equivalem a 0,1 metros e, finalmente: dx = 0,1 m.

etapa 3

Calcule a magnitude do vetor gradiente potencial, conforme apropriado.

Referências

  1. Eletricidade (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londres, Reino Unido. Recuperado de: britannica.com
  2. Gradiente potencial (s.f.). Universidade Nacional Autônoma do México. Mexico DF, Mexico. Recuperado de: professors.dcb.unam.mx
  3. Interação elétrica. Recuperado de: matematicasypoesia.com.es
  4. Gradiente potencial (s.f.). Recuperado de: circuitglobe.com
  5. Relação entre potencial e campo elétrico (s.f.). Instituto Tecnológico da Costa Rica. Cartago, Costa Rica. Recuperado de: repositoriotec.tec.ac.cr
  6. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Gradiente. Recuperado de: es.wikipedia.org

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