UNITAU 2022 (verão) — questão 65 de Física
Enunciado em texto
A figura a seguir é da vista lateral de um capacitor carregado com uma fonte regulável de alta tensão. A fonte e o capacitor equilibram um elemento de massa m. O fio AB é isolante e inextensível. A tensão é ajustada para esse fim, ou seja, equilibrar o elemento de massa, mantendo a distância d constante. As placas a e b são quadradas e suficientemente grandes para gerarem um campo, aproximadamente, uniforme. A placa a é móvel e pode subir e descer com o aumento e diminuição da massa m. Considere que o dielétrico contido entre as placas do capacitor é o ar. A distância mínima entre as placas do capacitor é garantida, qualquer que seja a variação da massa m, para que não se rompa o dielétrico contido entre as placas, isto é, na ausência de massa a distância entre as placas fica suficientemente afastada para que não haja a descarga entre as mesmas.
Para esse dispositivo, é CORRETO afirmar que:
[Figura: duas polias presas ao teto. Um fio parte do ponto A, no centro da placa a (horizontal, em cima, “Placa a, área A”), sobe até a polia da esquerda, passa pela polia da direita e desce até o ponto B, onde está pendurado o bloco de massa m. Logo abaixo da placa a, à distância d, está a placa b (“Placa b, área A”), fixa. A placa b está ligada ao polo + da “Fonte Regulável” (um medidor com a inscrição Volts); o polo – da fonte está ligado, por um fio que contorna a montagem pela esquerda, à placa a.]
a) Nesse sistema, a energia eletrostática pode ser regulada para ficar equilibrada com a energia potencial gravitacional.
b) Com o aumento da distância entre as placas, a capacitância desse capacitor se mantém constante.
c) Mantendo a tensão constante e aumentando a massa m, a carga sobre a placa do capacitor aumenta.
d) É impossível ocorrer uma descarga entre as placas do capacitor, porque o ar é um isolante elétrico ideal.
e) É impossível existir o equilíbrio entre a força eletrostática estabelecida entre as placas do capacitor e a força gravitacional sobre a massa m, pois a polarização das placas do capacitor está errada.
(Enunciado e figura: Vestibular de Verão UNITAU 2022, Medicina — Universidade de Taubaté.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade de Taubaté (UNITAU).
Resolução comentada
O que a questão pede: julgar afirmações sobre um capacitor cuja placa de cima é puxada para cima pelo peso de m (via fio e polias) e atraída para baixo pela placa de baixo.
Passo 1 — como o equilíbrio funciona. As placas têm cargas opostas e se atraem. O fio puxa a placa a para cima com força igual ao peso de m; a atração elétrica puxa a placa a para baixo. A força entre as placas de um capacitor plano é
e cresce com a tensão U. Regulando a fonte, ajusta-se essa força até compensar o peso de m (somado ao da placa), mantendo d constante.
Passo 2 — a alternativa A. Ela diz que a energia eletrostática pode ser regulada para “ficar equilibrada” com a energia potencial gravitacional. Em rigor, o que se equilibra são forças, não energias. Mas as duas ideias estão ligadas: força é a taxa com que a energia varia com a posição, e no equilíbrio um pequeno deslocamento da placa muda a energia elétrica na mesma medida em que muda a energia potencial gravitacional do sistema (o bloco m e a placa). Lida assim, como “a interação elétrica, regulada pela tensão, compensa a gravitacional”, a (A) é a única afirmação sem erro físico, e é o gabarito. A redação é imprecisa, e vale saber disso.
Por que não as outras:
• (B): ; aumentando d, a capacitância diminui.
• (C): com a tensão fixa e m maior, o fio puxa mais e a placa a sobe (o próprio enunciado diz isso). A distância aumenta, a capacitância cai e a carga diminui.
• (D): o ar não é isolante ideal: com campo elétrico intenso (cerca de 3 milhões de V/m) ele se ioniza e há descarga. É por isso que o enunciado fala em garantir uma distância mínima.
• (E): qualquer que seja a polaridade, as placas ficam com cargas opostas e se atraem; inverter a fonte não muda o sentido da força.
⚠️ A armadilha: a (C), achando que “mais massa, mais força, mais carga”. Com a tensão fixa, quem manda na carga é a capacitância, e ela cai quando a placa se afasta.
A ideia em uma frase: a atração entre as placas cresce com a tensão, e é regulando a tensão que se equilibra o peso; afastar as placas diminui C e, a tensão fixa, diminui a carga.
Resposta: alternativa A.
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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