ITA 2016 — questão 18 de Física

Enunciado em texto
Constantes dadas na prova: Aceleração da gravidade: 10 m/s². …
No circuito da figura há três capacitores iguais, com , inicialmente descarregados. Com as chaves (2) abertas e as chaves (1) fechadas, os capacitores são carregados. Na sequência, com as chaves (1) abertas e as chaves (2) fechadas, os capacitores são novamente descarregados e o processo se repete. Com a tensão no resistor variando segundo o gráfico da figura, a carga transferida pelos capacitores em cada descarga é igual a
[Figura do circuito: uma bateria à esquerda, dois capacitores desenhados (um à esquerda, ao centro do circuito, e outro à direita), um resistor R na extremidade direita e cinco chaves, três marcadas (1) e duas marcadas (2). Com as chaves (1) fechadas, o polo de cima da bateria fica ligado à placa de cima dos dois capacitores, e o polo de baixo, à placa de baixo dos dois: os capacitores ficam em paralelo com a bateria. Com as chaves (2) fechadas, a placa de cima do capacitor da esquerda vai ao terminal de cima de R, a placa de baixo do capacitor da esquerda vai à placa de cima do capacitor da direita, e a placa de baixo do capacitor da direita vai ao terminal de baixo de R: os dois capacitores ficam em série com R.]
[Gráfico: tensão V no resistor contra o tempo t (eixo t marcado de 0 a 9, sem unidade; eixo V marcado em 0, 12 e 24). Em t = 0, t = 3 e t = 6, a tensão salta para 24 e cai em forma de exponencial, ficando praticamente nula cerca de 1,5 unidade de tempo depois.]
A) C
B) C
C) C
D) C
E) C
(Enunciado e figura: Vestibular ITA 2016, prova de Física — ITA.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA).
Resolução comentada
O que a questão pede: quanta carga passa pelo resistor em cada descarga. Atenção: o enunciado fala em três capacitores, mas a figura da prova mostra só dois. A resolução segue o circuito desenhado, que é o que leva a uma das alternativas.
Passo 1 — a carga (chaves 1 fechadas): os dois capacitores ficam em paralelo com a bateria, cada um com a tensão da bateria e carga .
Passo 2 — a descarga (chaves 2 fechadas): a placa negativa de um capacitor é ligada à positiva do outro, e o conjunto, em série, descarrega por . As tensões se somam: no início da descarga, recebe . O gráfico mostra que esse pico é 24 V:
Passo 3 — a carga que passa por R: em série, a corrente é a mesma em tudo; a carga que atravessa até a descarga terminar é a carga de um capacitor (cada capacitor é atravessado pela mesma corrente, e cada um perde ):
Conferindo: a capacitância equivalente em série é , carregada inicialmente com 24 V: C. Mesmo resultado.
Por que não as outras: somar as cargas dos dois capacitores () dá C (alternativa B), mas na descarga em série a carga não se soma: a mesma carga passa por todo o caminho. Usar para cada um e somar dá C (alternativa A). E com três capacitores em série, como diz o texto, sairia C, valor que não está em nenhuma alternativa.
⚠️ A armadilha: usar 24 V como a tensão de cada capacitor. Os 24 V do gráfico são a soma das tensões dos capacitores em série; cada um tem só 12 V.
A ideia em uma frase: carregar em paralelo e descarregar em série soma as tensões, mas a carga que passa pelo resistor é a de um capacitor só.
Resposta: alternativa C ( C).
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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