UFLA-Conceitos B-carga

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1 CARGA 1
Tutorial de Física
1 Carga
1.1 Interações elétricas
A. Pressione um pedaço de fita adesiva, de cerca de 15-20 cm de comprimento, firme-
mente em uma superfície lisa sem tinta, por exemplo, um caderno ou o tampo de uma
mesa. (Para facilitar o manuseio, dobre as pontas da fita para que fiquem soltas.) Então,
arranque a fita e segure-a através de um suporte.
Descreva o comportamento da fita quando você a aproxima de alguns objetos (uma caneta, a
mão, etc.).
B. Pegue um outro pedaço de fita, como descrito acima. Aproxime-a da primeira. De-
screva suas observações.
É importante, ao realizar o experimento acima, que você mantenha suas mãos e outros objetos
distantes das fitas. Explique porque essas precauções são necessárias.
Como a distância entre as fitas afeta a interação entre elas?
C. Cada membro do seu grupo deverá prender uma fita na mesa e escrever um B (baixo)
nela. Então, pressione uma outra fita em cima de cada B e marque com um C (cima).
Puxe cada par de fitas da mesa como se fossem uma única peça. Após elas serem arrancadas da
mesa, separe as partes B e C. Prenda uma fita B e uma fita C no suporte em sua mesa.
1 CARGA 2
Descreva as interações entre os seguintes pares de fitas quando elas são colocadas próximas
umas das outras.
• Duas fitas C • Duas fitas B • Uma fita C e uma B
D. Obtenha um bastão acrílico e um pedaço de lã ou seda. Esfregue o bastão com a lã e
então segure-o próximo a uma nova fita B e C.
Compare as interações do bastão com as fitas com as interações entre as fitas na parte C.
Descreva as semelhanças e as diferenças.
Podemos dizer que o bastão e as fitas estão carregados eletricamente quando eles interagem,
como você observou.
E. Baseie suas respostas às seguintes questões em suas observações anteriores.
i. É possível que haja somente um tipo de carga? Se não, qual é o número mínimo de difer-
entes tipos de carga necessários para explicar as suas observações anteriores? Explique.
ii. Por convenção, um bastão de vidro é dito ser positivamente carregado quando atritado
com seda. Seu instrutor falará para você se o seu bastão de acrílico está positiva ou
negativamente carregado quando atritado com o material particular que você está usando.
• Como os dois objetos que estão positivamente carregados interagem? Explique
como você puder.
• Qual fita, B ou C, tem uma carga positiva? Explique.
⇒ Discuta as suas observações com o seu instrutor antes de continuar.
Remova todas as fitas da mesa antes de prosseguir.
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1.2 Superposição
A Lei de Coulomb estabele que a força elétrica entre duas cargas pontuais age ao longo da linha
que conecta as duas cargas. (Uma carga pontual é um objeto que é suficientemente pequeno para
que a carga possa ser tratada como se estivesse toda localizada em um único ponto.) O módulo
da força em cada carga é proporcional ao produto das cargas e é inversamente proporcional ao
quadrado da distância entre as cargas.
A. Duas cargas positivas +q e +Q (com |Q| > |q|) são colocadas
a uma distância s uma da outra
i. Indique a direção da força elétrica exercida em cada carga
pela outra carga.
ii. A força exercida na carga +q é maior, menor ou igual a força
exercida na carga +Q? Explique.
iii. Se a distância que separa as duas cargas fosse 2s, por qual
fator mudaria o módulo da força elétrica?
+q
+Q
s
B. Duas outras cargas +Q são colocadas a mesma dis-
tância s da carga +q, como mostrado na figura ao
lado. Considere o seguinte diálogo entre dois estu-
dantes sobre a força resultante sobre a carga +q:
Estudante 1: "A força elétrica resultante na carga
+q é agora três vezes maior que antes, uma vez
que agora são três cargas positivas exercendo força
sobre ela."
Estudante 2: "Eu não concordo. A força da carga
+Q da esquerda se anula com a força da carga +Q
da direita. A força elétrica resultante será a mesma,
como no caso anterior."
+q
+Q
+Q+Q
s
i. Você concorda com algum dos estudantes? Explique.
ii. Indique a direção da força elétrica resultante na carga +q. Explique.
1 CARGA 4
iii. O que pode ser dito sobre como o módulo da força elétrica na carga +q muda quando as
duas cargas +Q são adicionadas? Explique.
C. Ordene os quatro casos abaixo de acordo com o módulo da força elétrica resultante na
carga +q. Explique como você pôde realizar esse ordenamento.
s
δ δ
+Q
s
+3Q
+Q
+Q
+q +q
δδ
s
+Q +Q +Q
+q
s
s
+q
+3Q
−3Q
caso A caso B caso C caso D
⇒ Verifique seu ordenamento com o professor antes de continuar.
1.3 Carga distribuída
A. Eletrifique um bastão acrílico atritando-o com lã.
Obtenha uma pequena bola de isopor atada a um cabo isolante. Encoste a bola no bastão car-
regado e observe o comportamento da bola após ser afastada do bastão.
A bola ficará carregada após encostar no bastão? Caso fique, ela terá carga de mesmo sinal
do bastão ou de sinal oposto? Explique como você pode afirmar isso.
1 CARGA 5
B. Segure o bastão carregado na posição hor-
izontal, como mostra a figura ao lado. Use
uma bola de isopor carregada para explo-
rar a região ao redor do bastão. Com base
em suas observações, esquematize um vetor
para representar a força elétrica resultante
na bola em cada ponto marcado por um ×.
Toda a carga do bastão está localizada em um
único ponto? (Por exemplo. a carga está toda na
ponta? No meio?). Explique como você pode
afirmar isso.
x x x
x
xxx
x
vista de cima
Com base nos vetores que você desenhou, é apropriado considerar o bastão carregado como
uma carga pontual? Explique.
C. Imagine que dois bastões carregados são
seguros juntos como mostrado na figura ao
lado, e uma bola carregada é colocada no
ponto P .
Faça uma previsão se o bastão mais afastado
do ponto P exercerá uma força elétrica na bola.
Explique.
x P
vista de cima
Verifique suas previsões colocando uma bola carregada no ponto P próximo aos dois bastões e
então movendo lentamente um dos bastões em relação ao outro. Descreva suas observações e
discuta com seus companheiros se os seus resultados experimentais apoiam suas previsões.
1 CARGA 6
D. Cinco segmentos pequenos de bastão
acrílico são arrumados como mostrado na
figura. Todos foram atritados com lã e têm o
mesmo módulo de carga elétrica. Uma bola
carregada é colocada nas vizinhanças, nas
posições assinaladas com A e B.
Indique a direção aproximada da força na bola
nos pontos A e B devido ao segmento 5 apenas.
Qual é a direção da força resultante na bola nos
pontos A e B? Explique como você determinou
sua resposta.
vista de cima
x
x B
A
1 2 3 4 5
O segmento 2 exerce uma força na bola quando a bola é colocada no ponto B? Explique.
E. No caso A a direita, uma carga
pontual +q está a uma distância s
do centro de uma pequena bola com
carga +Q.
No caso B, a carga +q está a uma
distância s do centro de um bastão
acrílico com uma carga total +Q.
+q
+Q
s
caso A Bcaso
s
carga +Q
uniformemente
distribuida no
bastao
+q
Considere o seguinte diálogo entre dois estudantes:
Estudante 1: "O bastão carregado e a bola carregada têm a mesma carga, +Q, e estão a
mesma distância da carga pontual +q. Então, a força em +q será a mesma em ambos os
casos."
Estudante 2: "Não, no caso B há cargas espalhadas sobre todo o bastão. A carga direta-
mente abaixo da carga pontual exercerá a mesma força em +q exercida pela bola no caso
A. O restante da carga no bastão tornará a força no caso B maior."
Nenhum dos estudantes está correto. Discuta com seus companheiros os erros cometidos por
cada um. Escreva uma descrição correta de como as forças se comparam nos casos acima.
Explique.
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1.4 Um modelo para a carga elétrica
A. Uma pequena bola com carga resultante
zero é positivamente carregada de um lado
e negativamente carregada do outro. A bola
está colocadapróxima a uma carga pontual,
como mostrado na figura ao lado.
A bola seria atraída, repelida ou não afetada
pela carga pontual positiva? Explique.
positiva
carga pontual
negativamente
carregado
positivamente
carregado
Sua resposta é consistente com a Lei de Coulomb? Explique.
B. Prenda uma bola de metal ou coberta por metal em um fio isolante. Eletrize um
pedaço de fita como na seção 1 e aproxime-a da bola.
Descreva o que você observa.
C. A situação na parte A sugere um modo de se pensar sobre a atração na parte B
entre um pedaço de fita carregada e uma bola metálica descarregada.
Tente descrever a atração na parte B. Como parte de sua resposta, desenhe um esquema da
distribuição de cargas na fita e na bola antes e depois delas serem colocadas próximas uma da
outra.