FUVEST 2025 (2ª fase) — questão 3 de Física

Enunciado em texto
Uma membrana celular, situada entre o meio externo e o interior de uma célula, pode ser tratada de forma aproximada como um capacitor, cujas superfícies interna e externa apresentam excesso de ânions (cargas negativas) e de cátions (cargas positivas), respectivamente. Considere uma membrana celular cujas superfícies têm praticamente a mesma área m² e densidades superficiais de carga de mesmo módulo C/m².
a) Tratando, de forma aproximada, a membrana celular como uma casca esférica de espessura desprezível frente ao raio, encontre o volume da “célula” que essa membrana delimita.
b) Determine, em coulombs, o valor do módulo da carga elétrica em cada superfície.
c) Supondo que as cargas das superfícies têm agora módulo igual a C e que a diferença de potencial entre as superfícies externa e interna vale mV, encontre a capacitância da membrana.
Note e adote: Uma esfera de raio tem área superficial igual a e volume . Considere .
(Enunciado: Vestibular FUVEST 2025, 2ª fase — Fuvest/USP.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à FUVEST.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) o volume da célula esférica, a partir da área da membrana; (b) a carga em cada face; (c) a capacitância da membrana.
Item (a) — o raio, pela área. A membrana é uma casca esférica fina, então a sua área é a área da esfera. Com , :
É um raio de 10 μm, tamanho típico de uma célula.
Item (a) — o volume. Com , :
Item (b) — carga = densidade × área. A densidade superficial é carga por área, , então:
Cada face tem essa carga em módulo: positiva por fora, negativa por dentro, como num capacitor.
Item (c) — capacitância. A capacitância é a carga armazenada por volt de diferença de potencial, com mV V:
⚠️ A armadilha: no item (c), esquecer o prefixo “mili” e dividir por 70 em vez de 0,07, o que dá F, mil vezes menos. No item (a), confundir o do volume com o da tensão do item (c): são grandezas diferentes que a prova chama pela mesma letra.
A ideia em uma frase: área da esfera dá o raio e o volume; carga é densidade vezes área; capacitância é carga dividida pela tensão.
Resposta: (a) m e volume m³; (b) C; (c) F (1 pF).
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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