Exercícios resolvidos sobre carga eléctrica e formas de electrização da 10ª Classe
Parte 3
9. Durante as aulas de Física, o professor fez demostração electroestática que se descreve a seguir:
Inicialmente, ele aproximou duas esferas metálicas R e S, electricamente neutras, de uma esfera isolante, electricamente carregada com carga negativa, como representado na figura I. Cada uma dessas esferas está apoiada em um suporte isolante.
Em seguida, o professor tocou, rapidamente, com o dedo, na esfera S, como representado na figura II.
Isso feito, ele afastou a esfera isolante das outras duas esferas, como representado na figura III.
Considerando-se essas informações, é correcto afirmar que, na situação representada na figura III:
- A esfera R ficou com carga negativa e a S permaneceu neutra.
- A esfera R ficou com carga positiva e a S permaneceu neutra.
- A esfera R permaneceu neutra e a S fica com carga negativa.
- A esfera R permaneceu neutra e a S fica com carga positiva.
Resolução
A alternativa correta é a D. A esfera R permaneceu neutra e a S fica com carga positiva.
Para entender o porquê, vamos analisar a situação com muita clareza e passo a passo, assim sendo, vamos desvendar os fenómenos físicos por trás de cada etapa da demonstração do professor.
Os Fenómenos Físicos Envolvidos
Antes de olharmos as figuras, precisamos entender dois conceitos fundamentais de eletrostática:
- Indução Eletrostática (Polarização): Quando aproximamos um corpo carregado (indutor) de um condutor neutro (induzido), as cargas dentro do condutor neutro se separam. Com efeito, cargas de sinais opostos ao indutor são atraídas para perto dele, e cargas de mesmo sinal são repelidas para longe.
Atenção: Apenas separar as cargas não altera a carga total do corpo; ele continua neutro.
- Aterramento (Ligação à Terra): Quando tocamos um condutor com o dedo, estamos conectando-o à Terra, que funciona como um “reservatório” infinito de eletrões. A Terra pode fornecer eletrões para o condutor ou receber eletrões dele, dependendo da força elétrica que está atuando.
Leia sobre: Formas de Electrização
Análise Passo a Passo
*Passo 1: A Aproximação (Figura I)
- O professor coloca uma esfera central carregada negativamente entre as esferas R e S (que são metálicas, portanto condutoras, e inicialmente neutras).
- O que acontece: Ocorre a indução eletrostática. A esfera negativa central repele os eletrões livres (que também são negativos) das esferas R e S.
- Resultado: Na esfera R, os eletrões se acumulam no lado esquerdo (mais distante da central), desse modo, acaba deixando o lado direito positivo. Na esfera S, os eletrões se acumulam no lado direito (mais distante da central), com efeito, acaba deixando o lado esquerdo positivo.
- A carga total: Apesar dessa separação de cargas (polarização), nenhuma carga entrou ou saiu de R ou de S. Ambas continuam eletricamente neutras. Elas estão isoladas do chão por seus suportes.
Passo 2: O Toque do Dedo (Figura II)
- O professor toca apenas a esfera S com o dedo.
- O que acontece: O dedo atua como um fio terra (aterramento). Contudo, a esfera central negativa continua repelindo fortemente os eletrões da esfera S. Então, como agora existe um caminho livre (o dedo do professor/o corpo humano até o chão), os eletrões da esfera S “fogem” para a Terra para escapar da repulsão da esfera central.
- Resultado na esfera S: Como a esfera S perdeu eletrões (cargas negativas) para a Terra, assim sendo, ela fica com um excesso de protões. Portanto, a esfera S adquire carga positiva.
- Resultado na esfera R: A esfera R não foi tocada. Ela continua perfeitamente isolada no seu suporte. Nenhum eletrão pôde entrar ou sair dela. Ela continua apenas polarizada, mas com sua carga total neutra.
Passo 3: O Afastamento (Figura III)
- O professor retira a esfera central negativa.
- O que acontece na esfera S: O indutor foi embora. As cargas positivas em excesso na esfera S agora se redistribuem uniformemente por toda a sua superfície metálica. Ela permanece com carga positiva porque perdeu eletrões no Passo 2 e não tem como recuperá-los, já que está num suporte isolante.
- O que acontece na esfera R: A força que mantinha as cargas de R separadas (polarizadas) desapareceu. Como ela não perdeu nem ganhou eletrões em nenhum momento, as suas cargas internas voltam a se misturar de forma homogênea. Ela permanece neutra.
Conclusão Final:
Como a esfera R nunca foi conectada a nada que lhe permitisse trocar eletrões, ela continua neutra (Princípio da Conservação da Carga). A esfera S foi aterrada enquanto sofria repulsão de uma carga negativa, o que a fez perder eletrões para a terra, tornando-se positiva.
Isso nos leva diretamente à alternativa D.
Alternativa D
10. Dois pêndulos eléctricos, A e B, electrizados com cargas de sinais desconhecidos, ficaram na posição indicada na figura quando entre estes foi colocado um bastão de borracha electrizado positivamente. Das afirmações que se seguem, indique as falsas?
A. O pêndulo A pode estar neutro e o B pode estar electrizado negativamente.
B. O pêndulo B pode estar neutro e o A está electrizado positivamente.
C. O pêndulo A está electrizado negativamente e o B positivamente.
D. O pêndulo A está electrizado positivamente e o B negativamente.
Resolução
Vamos resolver isso passo a passo, analisando os fenómenos físicos que estão acontecendo no desenho.
1. Os Fenómenos Físicos: Atração e Repulsão
Na eletrostática, temos três regras de ouro para a interação entre corpos:
- Repulsão: Só acontece entre corpos que têm cargas do mesmo sinal (+ repele +, e – repele -).
- Atração (Cargas Opostas): Acontece entre corpos com cargas de sinais diferentes (+ atrai -).
- Atração (Indução): Um corpo carregado (seja + ou -) sempre atrai um corpo neutro. Isso ocorre porque o corpo carregado reorganiza (polariza) as cargas dentro do corpo neutro, puxando as cargas de sinal oposto para perto de si.
Dica de Ouro: A repulsão é a única prova absoluta de que um corpo está carregado. Se um corpo é atraído, ficamos na dúvida: ele pode ter carga oposta ou pode estar neutro.
2. Análise da Imagem Passo a Passo
- O Bastão Central: A imagem mostra claramente que o bastão verde possui sinais de mais (+). Portanto, o indutor tem carga positiva.
- O Pêndulo A: Observe que o fio do pêndulo A está inclinado para a esquerda, ou seja, afastando-se do bastão. Isso é o fenómeno da repulsão. Pela nossa regra, para ser repelido por um bastão positivo, o pêndulo A tem que ter carga positiva (+). Ele jamais poderia estar neutro.
- O Pêndulo B: O fio do pêndulo B está inclinado para a esquerda, ou seja, aproximando-se do bastão. Isso é atração. Para ser atraído por um bastão positivo, o pêndulo B tem duas possibilidades físicas: ele pode ter carga negativa (-) ou pode estar neutro.
- Atenção ao Enunciado: O texto diz: “Dois pêndulos eléctricos, A e B, electrizados…”. A palavra electrizados significa que ambos possuem carga elétrica (ou seja, não estão neutros). Isso elimina a possibilidade de B estar neutro. Portanto, concluímos que o pêndulo B tem carga negativa (-).
Conclusão análise: O pêndulo A é positivo (+) e o pêndulo B é negativo (-).
3. Avaliando as Afirmações
A questão pede para indicarmos as afirmações falsas. Vamos testar uma por uma com base na nossa conclusão (A é + e B é -):
A. O pêndulo A pode estar neutro e o B pode estar electrizado negativamente.
FALSA. Como vimos, o pêndulo A está sendo repelido. É fisicamente impossível que um corpo neutro seja repelido. O pêndulo A tem que ser positivo.
B. O pêndulo B pode estar neutro e o A está electrizado positivamente.
FALSA. Embora fisicamente um corpo neutro pudesse ser atraído (explicando a posição de B), o enunciado afirmou claramente que ambos os pêndulos estão electrizados (carregados). Logo, B não pode estar neutro.
C. O pêndulo A está electrizado negativamente e o B positivamente.
FALSA. Isso é o exato oposto do que está acontecendo. Se fosse assim, o pêndulo A seria atraído (e não repelido) e o pêndulo B seria repelido (e não atraído).
D. O pêndulo A está electrizado positivamente e o B negativamente.
VERDADEIRA. Esta afirmação descreve perfeitamente os fenômenos observados e respeita o fato de ambos estarem carregados, conforme o enunciado.
Resumo:
Como a questão pede para indicar as falsas, as respostas são as afirmações A, B e C. A única afirmação correta que descreve o cenário é a D.
11. Numa experiência de laboratório, um aluno da 10ª classe electrizou positivamente um electroscópio de folhas. Em seguida aproximou do botão do electroscópio uma régua C.
Identifique o sinal da carga da régua C, justificando a resposta, se:
- A divergência das folhas do electroscópio aumentar.
- A divergência das folhas do electroscópio não se alterar.
- A divergência das folhas do electroscópio diminuir.
Resolução
Vamos dissecar o funcionamento do eletroscópio de folhas e analisar os três cenários passo a passo, focando no que está acontecendo no nível microscópico.
1. O Ponto de Partida: O Eletroscópio Positivo
O enunciado nos diz que o eletroscópio já foi eletrizado positivamente antes de a régua chegar perto.
- O que isso significa fisicamente? Significa que todo o conjunto metálico (o botão lá em cima, a haste central e as folhinhas lá embaixo) está com um déficit de eletrões. Há um excesso de cargas positivas espalhadas por ele.
- Por que as folhas estão abertas? Como as duas folhas compartilham a mesma carga positiva, então elas sofrem a força de repulsão elétrica (cargas de mesmo sinal se repelem). A abertura (divergência) entre elas é o nosso “termômetro”: quanto mais carga positiva houver lá embaixo, mais abertas elas ficam.
2. O Fenómeno Físico: O “Cabo de Guerra” dos Eletrões
Quando aproximamos a régua C do botão superior (sem encostar!), acionamos o fenômeno da indução eletrostática.
O eletroscópio é um condutor, o que significa que ele possui “eletrões livres” que podem transitar fluidamente entre as folhas e o botão. A régua C vai atuar atraindo ou repelindo esses eletrões:
- Se a régua “puxar” eletrões para cima (para o botão), as folhas lá embaixo perderão eletrões, ficando mais positivas.
- Se a régua “empurrar” eletrões para baixo (para as folhas), eles vão se juntar às folhas e neutralizar parte da carga delas, deixando-as menos positivas.
Com essa lógica estabelecida, a resolução fica muito intuitiva. Vamos a ela:
Leia sobre: Electroscópio
3. Justificando os Cenários
A. A divergência das folhas do eletroscópio aumentar.
- Sinal da régua C: Positivo (+)
- A Explicação Passo a Passo: Para as folhas se afastarem ainda mais, a força de repulsão tem que aumentar. Isso só acontece se as folhas ficarem com mais carga positiva do que já tinham. Como isso ocorre? A régua C atrai os poucos eletrões livres que ainda restavam nas folhas, forçando-os a subir para o botão. Quem atrai cargas negativas (eletrões)? Apenas um corpo com carga positiva.
B. A divergência das folhas do eletroscópio não se alterar.
- Sinal da régua C: Neutra (Descarregada)
- A Explicação Passo a Passo: Se as folhas continuam na mesma posição, a força de repulsão não mudou. Logo, a quantidade de carga nas folhas continuou exatamente a mesma. Se nenhum eletrão foi forçado a subir ou descer pela haste do eletroscópio, é porque a régua não está exercendo força elétrica (nem atração, nem repulsão) sobre eles. Portanto, a régua está eletricamente neutra.
C. A divergência das folhas do eletroscópio diminuir.
- Sinal da régua C: Negativo (-)
- A Explicação Passo a Passo: Para as folhas se aproximarem (diminuir a divergência), a repulsão entre elas tem que enfraquecer. Isso significa que elas foram parcialmente neutralizadas (ficaram menos positivas). Como isso acontece? A régua C instalada lá no topo “assusta” os eletrões livres do botão, empurrando-os para baixo, em direção às folhas. Esses eletrões que descem se casam com os protões que estavam sobrando lá embaixo, anulando parte da carga. Quem repele cargas negativas (eletrões) para longe? Apenas um corpo com carga negativa.