FAMECA 2020 (2º dia) — questão 20 de Física

Enunciado em texto
Uma esfera metálica A, inicialmente eletrizada com carga negativa, é colocada em contato simultaneamente com duas outras esferas, B e C, também metálicas e idênticas à esfera A, que estavam inicialmente neutras. Após o contato, cada esfera fica eletrizada com carga elétrica igual a –3,2 × C, e as três são dispostas com seus centros ocupando um mesmo plano, como mostra a figura.
(Figura: o ponto P no centro; a esfera A acima de P, a esfera C abaixo e à esquerda e a esfera B abaixo e à direita, cada uma a uma distância d de P.)
a) Sabendo que a carga elétrica de um elétron vale –1,6 × C, calcule o número de elétrons em excesso na esfera A, antes do contato entre as esferas.
b) Considerando que a constante eletrostática k é igual a 9,0 × N · m²/C² e que o potencial elétrico no infinito é igual a zero, calcule a energia potencial elétrica do sistema, em joules e em relação ao infinito, quando se coloca uma partícula eletrizada com carga –1,0 × C no ponto P da figura, distante d = 9,0 cm do centro de cada esfera.
(Enunciado e figura: Vestibular FAMECA 2020, Conhecimentos Específicos — FAMECA/Vunesp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Faculdade de Medicina de Catanduva (FAMECA/UNIFIPA) e à Fundação VUNESP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) quantos elétrons a mais a esfera A tinha antes do contato; (b) a energia potencial elétrica da partícula colocada em P, no campo das três esferas.
Item (a) — a carga inicial de A. No contato simultâneo de três esferas idênticas, a carga total se divide igualmente. Como B e C estavam neutras, toda a carga vinha de A:
Item (a) — número de elétrons. Cada elétron em excesso contribui com C:
Item (b) — o potencial em P. Cada esfera está a m de P e tem a mesma carga; o potencial é escalar, então os três se somam:
Item (b) — a energia potencial. Para a partícula de carga C em P:
A energia é positiva porque as cargas têm o mesmo sinal (repulsão): foi preciso realizar trabalho para trazer a partícula do infinito até P.
Conferindo: par a par, cada esfera contribui com J; as três dão J. A banca aceitou os dois caminhos.
⚠️ A armadilha: no item (a), responder com a carga de A depois do contato ( C, dando elétrons). No item (b), somar vetorialmente, como se fosse campo elétrico: por simetria daria zero, mas potencial e energia são escalares e se somam direto.
A ideia em uma frase: esferas idênticas em contato repartem a carga igualmente; potencial é escalar, e a energia da partícula é .
Resposta: (a) elétrons; (b) J (com V).
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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