Superfícies equipotenciais

Superfícies equipotenciais são uma superfície cujo os pontos apresentam o mesmo potencial eletrostático. Ou seja, onde todos os seus pontos possuem o mesmo potencial elétrico.

As superfícies equipotenciais, apesar de serem uma matéria de física, também tem grande relação com temas estudados na biologia. Por exemplo, assim como as fibras musculares, os neurônios também são células eletricamente excitáveis. Isso significa que os neurônios se comunicam uns com os outros por meio de impulsos nervosos que garantem o envio de informações a longas distâncias. 

Talvez você se pergunte o que tudo isso tem a ver com superfícies equipotenciais. Bem, vamos começar dizendo que a prova do ENEM está cada vez mais unindo as áreas de Ciências da Natureza em uma única questão. Sendo assim,  é necessário um conhecimento mais amplo do que está acontecendo nos fenômenos naturais para resolvê-las.

E, como nenhum desses fenômenos ocorrem separados, hoje sabemos que os impulsos nervosos são sinais elétricos, e para saber tudo sobre superfícies equipotenciais, vamos dar uma olhada antes em carga e potencial elétrico.

Desenho esquemático demonstrando neurônios em atividade. Fonte da imagem: Getty Images Pro. Desenho esquemático demonstrando neurônios em atividade. Fonte da imagem: Getty Images Pro.

Carga e campo elétrico e superfícies equipotenciais

Antes de chegarmos à ligação entre os impulsos nervosos e a eletricidade, vamos conceituar alguns termos relacionados importantes e observar como tudo isso está ligado às superfícies equipotenciais. Primeiramente devemos lembrar que todos os materiais a nossa volta, e inclusive nós mesmos, são formados por átomos, e que dentro desses átomos há partículas que possuem uma carga elétrica.

Tanto os prótons (partículas positivas presentes no núcleo dos átomos), quanto os elétrons (partículas negativas presentes na eletrosfera do átomo) possuem uma carga elétrica associada à eles que em módulo possuem o mesmo valor, porém são de sinais opostos.

Dessa forma, podemos concluir que todos os materiais a nossa volta são eletricamente neutros, por possuírem o mesmo número de prótons e elétrons em suas constituições. Contudo, há formas para que se possa retirar ou adicionar elétrons aos materiais, e assim conseguimos carregar eletricamente os corpos.

O campo elétrico do átomo e sua contribuição às superfícies equipotenciais

Também devemos lembrar que cargas de sinais opostos se atraem e que cargas de sinais iguais se repelem, e isso irá gerar uma força elétrica sobre essas cargas, que acarretam em um movimento das mesmas.

Outro ponto fundamental para a nossa análise é o campo elétrico, que consiste na região do espaço onde há uma certa carga elétrica atuando, logo todo corpo eletrizado gera em torno de si um campo elétrico.

Átomo e partículas constituintes; atração e repulsão entre cargas elétricas, gerando uma força elétrica; representação do campo elétrico e suas linhas de força.Átomo e partículas constituintes; atração e repulsão entre cargas elétricas, gerando uma força elétrica; representação do campo elétrico e suas linhas de força.

Energia potencial elétrica nas superfícies equipotenciais

Quando se aproximam dois objetos eletrizados poderá ocorrer, como visto acima, uma atração ou repulsão entre eles, dependendo da combinação de tipos de cargas elétricas.

Caso esses objetos tenham a liberdade de movimento, eles irão adquirir energia cinética (energia ligada aos movimentos dos corpos), de modo que é necessário existir uma energia potencial armazenada de alguma forma para que aconteça essa transformação em energia cinética.

Nesse caso, essa energia está ligada à atuação da força elétrica, sendo, portanto, uma energia potencial elétrica. Sendo assim, para cada posição de um corpo eletrizado em um campo elétrico, a intensidade da força que age sobre ele é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica q que ele possui.

Fórmulas de potencial elétrico

Consequentemente, tanto o trabalho realizado pela força elétrica quanto a energia potencial elétrica também são diretamente proporcionais à quantidade de carga elétrica q. Por isso, é conveniente considerarmos a energia potencial elétrica Epe por unidade de carga, grandeza que recebe o nome de potencial elétrico V.

superfícies equipotenciais

Essa razão é constante para cada ponto no espaço. Você pode ver que, se uma carga de prova colocada nesse ponto for cinco vezes mais eletrizada que outra, terá também cinco vezes mais energia potencial elétrica armazenada, mas a energia potencial por unidade de carga será a mesma para ambas.

De fato, o conceito de potencial elétrico é uma maneira de caracterizar qualquer ponto do espaço por uma grandeza escalar, lembrando que o vetor campo elétrico também o caracteriza. Porém o campo elétrico está diretamente associado à força elétrica, enquanto o potencial elétrico, à energia potencial elétrica.

Superfície Equipotencial

Podemos chamar de superfície equipotencial a uma superfície cujo os pontos apresentam o mesmo potencial eletrostático. Ou seja, como o próprio nome já diz, as superfícies equipotenciais são de fato superfícies (que podem ser planas, esféricas, etc) onde todos os seus pontos possuem o mesmo potencial elétrico.

Quando temos uma única partícula eletrizada, as superfícies equipotenciais serão esferas centradas em cima dessa partícula, como podemos observar na figura 2.

Linhas de campo de uma carga elétrica puntiforme positiva e círculos concêntricos que representam as linhas com mesmo potencial elétrico formando as superfícies equipotenciais. Linhas de campo de uma carga elétrica puntiforme positiva e círculos concêntricos que representam as linhas com mesmo potencial elétrico formando as superfícies equipotenciais.

Em um campo elétrico uniforme, ou seja, que é constante, as superfícies equipotenciais são paralelas entre si e perpendiculares às linhas de força, conforme podemos ver na figura 3.

Representação de superfícies equipotenciais em campo elétrico uniforme. Representação de superfícies equipotenciais em campo elétrico uniforme.

Você pode observar que, em ambos os casos, as linhas de força são perpendiculares às superfícies equipotenciais. Suponha, então, que dois pontos, A e B, sejam de uma superfície equipotencial. Ao deslocar uma carga puntiforme q, de A para B, temos que:

superfícies equipotenciais

Assim, o trabalho realizado pela força elétrica no deslocamento de uma carga puntiforme entre pontos de uma mesma superfície equipotencial é nulo.

Dessa maneira, a força elétrica só realizará trabalho se ocorrer deslocamento entre pontos que se encontram sobre superfícies equipotenciais diferentes.

Impulsos nervosos e a eletricidade na superfície equipotencial

A membrana celular, onde ocorrem os impulsos nervosos pode ser comparada a um capacitor. Mas você sabe o que é um capacitor?

Um capacitor é um dispositivo elétrico cuja a função é armazenar cargas elétricas e, consequentemente, energia potencial eletrostática. Ele é constituído por duas peças condutoras, as armaduras, entre as quais existe um material isolante, o dielétrico.

O capacitor mais simples é formado por duas placas paralelas separadas por uma distância d.O capacitor mais simples é formado por duas placas paralelas separadas por uma distância d.

Energia Potencial Elétrica

Na imagem acima, podemos considerar as duas placas condutoras como superfícies equipotenciais. Ou seja, o potencial elétrico sobre elas é sempre o mesmo.

Assim a membrana celular é comparada ao capacitor, pois cada uma de suas superfícies (intra e extracelular) está em contato com uma solução condutora e a membrana faz o papel de dielétrico. Dessa maneira, a concentração de cargas elétricas que se estabelece nas proximidades das superfícies da membrana celular cria uma diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior da célula.

O potencial elétrico de uma membrana celular cresce da parte interna para a parte externa. O potencial elétrico de uma membrana celular cresce da parte interna para a parte externa.

Video-aula

Quer saber mais sobre Potencial elétrico e sua ligação com a membrana celular assista a essa super aula do canal Prof Física – Tai:

Exercícios

1 – Assinale a alternativa correta em relação às superfícies equipotenciais:

a) O trabalho realizado pela força elétrica sobre uma carga que se desloca em cima de uma superfície equipotencial é sempre positivo.
b) A tensão elétrica em Volts tem valor nulo em toda a extensão de uma linha equipotencial.
c) O trabalho realizado pela força elétrica sobre uma carga de sinal negativo será negativo, e o trabalho realizado sobre cargas de sinal positivo será positivo.
d) O módulo do trabalho realizado pela força elétrica sobre uma carga elétrica, independentemente do seu sinal, sempre será igual a zero.
e) As linhas de campo elétrico são sempre tangenciais às superfícies equipotenciais.

2- (PUC-SP)
Um campo elétrico é criado por uma carga puntiforme. As superfícies equipotenciais são concêntricas, com centro na carga. Considerando superfícies equipotenciais cujos correspondentes valores do potencial diferem por uma constante (por ex. 20, 18, 16, 14, …), podemos afirmar que essas superfícies se apresentam:

a) igualmente espaçadas;
b) cada vez mais espaçadas, à medida que a distância à carga aumenta;
c) cada vez mais juntas, à medida que a distância à carga aumenta;
d) mais afastadas ou mais juntas, dependendo do valor da carga que cria o campo;
e) n.d.a.

3 – (UFPA)
Com relação às linhas de força de um campo elétrico, pode-se afirmar que são linhas imaginárias:

a) tais que a tangente a elas em qualquer ponto tem a mesma direção do campo elétrico;
b) tais que a perpendicular a elas em qualquer ponto tem a mesma direção do campo elétrico;
c) que circulam a direção do campo elétrico;
d) que nunca coincidem com a direção do campo elétrico;
e) que sempre coincidem com a direção do campo elétrico.

GABARITO

1) D 2) C 3) A

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica

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