UNESP 2015 — questão 82 de Física

Enunciado em texto
Modelos elétricos são frequentemente utilizados para explicar a transmissão de informações em diversos sistemas do corpo humano. O sistema nervoso, por exemplo, é composto por neurônios (figura 1), células delimitadas por uma fina membrana lipoproteica que separa o meio intracelular do meio extracelular. A parte interna da membrana é negativamente carregada e a parte externa possui carga positiva (figura 2), de maneira análoga ao que ocorre nas placas de um capacitor.
[Figura 1: desenho de um neurônio (corpo celular com núcleo, dendritos e um axônio longo); um trecho do axônio está destacado por um retângulo. Figura 2: ampliação desse trecho: uma faixa azul (“meio intracelular”) entre duas membranas; do lado de dentro de cada membrana há sinais “−” e do lado de fora (“meio extracelular”) há sinais “+”. Um pequeno trecho da membrana de baixo está destacado. Figura 3: ampliação desse trecho: uma camada de espessura d, com sinais “−” na face de cima (lado intracelular) e “+” na face de baixo (lado extracelular); linhas de campo verticais e paralelas, com setas para cima; no meio, um íon K.]
(http://biotravel.com.br. Adaptado.)
A figura 3 representa um fragmento ampliado dessa membrana, de espessura d, que está sob ação de um campo elétrico uniforme, representado na figura por suas linhas de força paralelas entre si e orientadas para cima. A diferença de potencial entre o meio intracelular e o extracelular é V. Considerando a carga elétrica elementar como e, o íon de potássio K, indicado na figura 3, sob ação desse campo elétrico, ficaria sujeito a uma força elétrica cujo módulo pode ser escrito por
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
(Enunciado e figura: Vestibular Unesp 2015, 1ª fase — Unesp/Vunesp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Estadual Paulista (Unesp) e à Fundação VUNESP.
Resolução comentada
O que a questão pede: a força elétrica sobre o íon K dentro da membrana, em termos de e, V e d.
Passo 1 — o campo dentro da membrana. A membrana funciona como um capacitor de placas paralelas: o campo entre as faces é uniforme, e num campo uniforme a diferença de potencial e a distância se relacionam por . Aqui U = V:
Passo 2 — a carga do íon. O íon K perdeu um elétron: sua carga é +e.
Passo 3 — a força. Em módulo, força elétrica é carga vezes campo:
Conferindo: a força é para cima, no sentido do campo (o íon é positivo), ou seja, do lado de fora (+) para o lado de dentro (−) da célula. E a dimensão fecha: volt por metro é newton por coulomb, e vezes coulomb dá newton.
⚠️ A armadilha: lembrar da relação “ao contrário” e escrever ; aí a força sai , a alternativa A. Quanto mais fina a membrana, mais intenso o campo, então d tem de ficar no denominador.
A ideia em uma frase: entre placas paralelas o campo é V/d, e a força numa carga e é e vezes esse campo.
Resposta: alternativa E (e·V/d).
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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