UNICAMP 2025 (2ª fase) — questão 10 de Física

Enunciado em texto
Vários dispositivos eletrônicos (mouses, joysticks etc.) fazem uso do Efeito Hall. A Figura A mostra o esquema de um fluxômetro empregado para medir a vazão de um líquido (volume que atravessa a seção reta da tubulação por unidade de tempo) que usa esse princípio: o escoamento do líquido na tubulação gira uma turbina junto com um ímã, o que gera uma diferença de potencial () numa fita condutora.
(Figura A: uma tubulação horizontal, com seção reta de área , em que o líquido escoa para a direita com velocidade . Encostada na tubulação, uma turbina de raio , com pás, gira (seta curva no alto) e tem no centro um ímã com os polos N e S. Ao lado da turbina, uma fita condutora.)
a) Com a rotação do ímã do fluxômetro, a diferença de potencial varia conforme ilustrado na Figura B no espaço de respostas, sendo máxima quando o polo norte do ímã aponta para a fita. Sendo cm² a área da seção reta da tubulação e cm o raio externo da turbina, calcule a vazão do líquido. Assuma que a velocidade do líquido, , seja constante e uniforme e de módulo igual ao da velocidade da extremidade da turbina.
b) A Figura C mostra uma fita de largura mm conduzindo corrente elétrica na presença do campo magnético que sai do papel. A força magnética desvia as cargas elétricas ( C) responsáveis pela corrente, acumulando-as nas bordas da fita. Isso dá origem à diferença de potencial , ao campo elétrico () e a uma força elétrica oposta a . Quase instantaneamente o equilíbrio de forças se estabelece e as cargas passam a seguir em linha reta, cessando o acúmulo nas bordas da fita. Para a condição de equilíbrio em que V, quanto vale ?
(Figura B: gráfico de (sem escala numérica) em função de (ms), com o tempo marcado em 0, 30, 60, 90, 120, 150 e 180. A curva é uma senoide: vale zero em , é máxima em 30 ms, volta a zero em 60 ms, é mínima em 90 ms, zero em 120 ms, máxima de novo em 150 ms e zero em 180 ms.)
(Figura C: a fita, um retângulo de largura , com a corrente elétrica entrando por cima (seta para baixo) e o campo saindo do papel (símbolo ⊙). Uma carga negativa , que se move para cima (tracejado), é desviada para a esquerda pela força . A borda esquerda está marcada com sinais −, a direita com sinais +, e o campo aponta para a esquerda. Um voltímetro liga as duas bordas (− à esquerda, + à direita).)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2025, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) a vazão do líquido, a partir do período de rotação lido no gráfico; (b) a força magnética sobre cada carga no equilíbrio do efeito Hall.
Item (a) — o período. é máxima quando o polo norte aponta para a fita, e isso acontece uma vez por volta. Os máximos estão em 30 ms e em 150 ms, então uma volta leva ms s.
Item (a) — a velocidade da ponta da turbina. No movimento circular uniforme, a ponta percorre a cada volta. O enunciado não dá o valor de π; a banca usou :
Item (a) — a vazão. Pelo enunciado, o líquido tem essa mesma velocidade. Em cada segundo passa pela seção um “cilindro” de líquido de base e comprimento . Com cm² m²:
Isso é 10,5 litros por segundo. Com , sai m/s e m³/s, praticamente o mesmo.
Item (b) — o equilíbrio. As cargas passam a andar em linha reta quando a força elétrica cancela a magnética: .
Item (b) — o campo elétrico. As cargas acumuladas nas bordas criam um campo praticamente uniforme na largura da fita, então , com m:
⚠️ A armadilha: no item (a), tomar como período o intervalo entre o máximo e o mínimo (60 ms) ou entre dois zeros seguidos: isso é meia volta, e a vazão sairia o dobro, m³/s. No item (b), esquecer de passar a largura de mm para m.
A ideia em uma frase: um máximo de V_Hall por volta dá o período, e v = 2πR/T dá a vazão Z = Av; no equilíbrio Hall, F_B = |q|·V_Hall/L.
Resposta: (a) m³/s (cerca de 10,5 L/s); (b) N.
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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