PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ 1) O gráfico mostra como varia a força de repulsão entre duas cargas elétricas, idênticas e puntiformes, em função da distância entre elas. Considerando a constante eletrostática do meio como k 9 109 N m2 C2 , determine: a) o valor da força F. b) a intensidade das cargas elétricas. 2) Arthur monta um circuito com duas lâmpadas idênticas e conectadas à mesma bateria, como mostrado nesta figura: Considere nula a resistência elétrica dos fios que fazem a ligação entre a bateria e as duas lâmpadas. Nos pontos A, B, C e D, indicados na figura, as correntes elétricas têm, respectivamente, intensidades iA , iB , iC e iD . a) A corrente elétrica IB é menor, igual ou maior à corrente elétrica iC ? Justifique sua resposta. b) Qual é a relação correta entre as correntes elétricas iA , iB e iD ? Justifique sua resposta. Página 1 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ c) O potencial elétrico no ponto A é menor, igual ou maior ao potencial elétrico no ponto C? Justifique sua resposta. 3) Um estudante montou o circuito da figura com três lâmpadas idênticas, A, B e C, e uma bateria de 12V. As lâmpadas têm resistência de 100. a) Calcule a corrente elétrica que atravessa cada uma das lâmpadas. b) Calcule as potências dissipadas nas lâmpadas A e B e identifique o que acontecerá com seus respectivos brilhos (aumenta, diminui ou permanece o mesmo) se a lâmpada C queimar. 4) Uma esfera condutora descarregada (potencial elétrico nulo), de raio R1 5,0 cm , isolada, encontra-se distante de outra esfera condutora, de raio R2 10,0 cm , carregada com carga elétrica Q 3,0μC (potencial elétrico não nulo), também isolada. Em seguida, liga-se uma esfera à outra, por meio de um fio condutor longo, até que se estabeleça o equilíbrio eletrostático entre elas. Nesse processo, a carga elétrica total é conservada e o potencial elétrico em cada condutor esférico isolado descrito pela q r equação V k , onde k é a constante de Coulomb, q é a sua carga elétrica e r o seu raio. Página 2 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ Supondo que nenhuma carga elétrica se acumule no fio condutor, determine a carga elétrica final em cada uma das esferas. 5) Um espectrômetro de massa é um aparelho que separa íons de acordo com a razão carga elétrica/massa de cada íon. A figura mostra uma das versões possíveis de um espectrômetro de massa. Os íons emergentes do seletor de velocidades entram no espectrômetro com uma velocidade v . No interior do espectrômetro existe um campo magnético uniforme (na figura é representado por Be e aponta para dentro da página ) que deflete os íons em uma trajetória circular. Íons com diferentes razões carga elétrica/massa descrevem trajetórias com raios R diferentes e, consequentemente, atingem pontos diferentes (ponto P) no painel detector. Para selecionar uma velocidade v desejada e para que o íon percorra uma trajetória retilínea no seletor de velocidades, sem ser desviado pelo campo magnético do seletor (na figura é representado por e aponta para dentro da página ), é necessário também um campo elétrico ( Es ), que não está mostrado na figura. O ajuste dos sentidos e módulos dos campos elétrico e magnético no seletor de velocidades permite não só manter o íon em trajetória retilínea no seletor, como também escolher o módulo da velocidade v . De acordo com a figura e os dados a seguir, qual o sentido do campo elétrico no seletor e o módulo da velocidade v do íon indicado? Dados: • Es = 2 500 V/m • Bs = 5,0 x 10–2 T Página 3 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ 6) Em um seletor de cargas, uma partícula de massa m e eletrizada com carga q é abandonada em repouso em um ponto P, entre as placas paralelas de um capacitor polarizado com um campo elétrico E. A partícula sofre deflexão em sua trajetória devido à ação simultânea do campo gravitacional e do campo elétrico e deixa o capacitor em um ponto Q, como registrado na figura. Deduza a razão q/m, em termos do campo E e das distâncias d e h. 7) Nos pontos A, B e C de uma circunferência de raio 3 cm, fixam-se cargas elétricas puntiformes de valores 2 μC, 6 μC e 2 μC respectivamente. Determine: a) A intensidade do vetor campo elétrico resultante no centro do círculo. b) O potencial elétrico no centro do círculo. (Considere as cargas no vácuo, onde k = 9 × 109 N.m2/C2) Página 4 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ 8) Um filtro de velocidades é um dispositivo que utiliza campo elétrico uniforme E perpendicular ao campo magnético uniforme B (campos cruzados), para selecionar partículas carregadas com determinadas velocidades. A figura a seguir mostra uma região do espaço em vácuo entre as placas planas e paralelas de um capacitor. Perpendicular ao campo produzido pelas placas, está o campo magnético uniforme. Uma partícula positiva de carga q move-se na direção z com velocidade constante v (conforme a figura 1). a) na figura 2, represente os vetores força elétrica, F e, e força magnética, F m, que atuam na partícula assim que entra na região de campos cruzados, indicando suas magnitudes. b) Determine a velocidade que a partícula deve ter, para não ser desviada. 9) Um satélite geoestacionário, portanto com período igual a um dia, descreve ao redor da Terra uma trajetória circular de raio R. Um outro satélite, também em órbita da Terra, descreve trajetória circular de raio R/2. Calcule o período desse segundo satélite. Página 5 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ 10) Duas partículas com carga 5 x 10-6 C cada uma estão separadas por uma distância de 1 m. Dado K = 9 x 109 Nm2/C2, determine a) a intensidade da força elétrica entre as partículas. b) o campo elétrico no ponto médio entre as partículas. 11) Uma onda eletromagnética atinge uma antena no instante em que um elétron nela se move com velocidade v . As direções e os sentidos da velocidade v do elétron e dos campos elétrico (E) e magnético (B) da onda, no ponto em que o elétron se encontra nesse instante, estão indicados na figura a seguir com relação a um sistema de eixos cartesianos xyz. a) Determine as direções e os sentidos das forças elétrica Fe e magnética Fm sobre o elétron nesse instante. b) Sabendo que v 1,0 106 m / s, E 3,0 102 V / m e B 1,0 106 T , calcule a razão Fe / Fm entre os módulos das forças elétrica Fe e magnética Fm . 12) Um elétron (módulo da carga = q, massa = m) que se move na direção horizontal penetra entre duas placas paralelas carregadas, como mostra a figura. Entre as placas existe um campo elétrico uniforme, de módulo E. Página 6 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ a) INDIQUE a expressão algébrica para o cálculo do módulo da força elétrica que atua sobre o elétron em termos de q e de E. b) O campo elétrico é tal que a ação da gravidade sobre o elétron é desprezível. As placas têm um comprimento ℓ e o elétron emerge delas a uma altura h acima da horizontal. DEMONSTRE que o módulo da velocidade do elétron, quando penetrou entre as placas, é dado por v = ℓ qE 2mh c) Com a aplicação de um campo magnético de módulo B, perpendicular a v , o elétron passa entre as placas sem sofrer nenhum desvio. INDIQUE, na figura, a direção e o sentido do vetor B e CALCULE seu módulo em termos de q, de m, de E, de ℓ e de h. Página 7 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ Gabarito: Resposta da questão 1: a) Aplicando a lei de Coulomb aos pontos mostrados no gráfico: F kQ 2 d2 F 9 10 3 2 kQ F 0,3 2 2 kQ 3 9 10 0,12 0,12 0,3 2 F 9 10 3 F 9 103 kQ 2 0,3 2 0,12 kQ 2 1 9 F 1 103 N. b) Aplicando novamente a lei de Coulomb: F kQ 2 2 kQ 2 F d2 Q d d Q 0,1 9 103 9 9 10 F k 0,1 106 Q 1 104 C. Resposta da questão 2: O esquema a seguir ilustra a situação: a) Os pontos B e C estão no mesmo fio, portanto, por eles passa a mesma corrente: Página 8 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ iB = iC = i. b) Como as duas lâmpadas estão em paralelo e têm resistências iguais, elas são percorridas por correntes iguais. Então: iB = iD = i. Essas duas correntes, iB e iD, somam-se formando a corrente iA. Assim: iA = iB + iD = i + i iA = 2 i. . Portanto, a relação correta é: iB iD iA . 2 c) A diferença de potencial elétrico entre dois pontos é U = R i. Como entre os pontos citados, A e C, não há elemento resistivo algum, o potencial elétrico no ponto A é igual ao potencial elétrico no ponto C. Resposta da questão 3: a) Dados: U = 12 V; R = 100 . A resistência equivalente do circuito é: Req 100 100 2 Req 150 Ω. Aplicando a lei de Ohm-Pouillet: URI I eq 12 150 I 0,08 A. Assim: iA I 0,08 A; I iB iC 0,04 A. 2 b) Calculemos as potências dissipadas para o caso do item anterior: 2 PR i P 100 0,08 2 0,64 W; A 2 PB PC 100 0,04 0,16 W. Se a lâmpada C queimar, as lâmpadas A e B ficam em série, submetidas à tensão U’ = 6 V cada uma. As novas potências dissipadas serão: Página 9 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ 2 P U' R PA' PB' 62 0,36 W. 100 Comparando os valores obtidos, concluímos que o brilho da lâmpada A diminui e o brilho da lâmpada B aumenta. Resposta da questão 4: Após o contato, as esferas terão o mesmo potencial elétrico. V1 V2 kQ1 kQ2 Q R 5 1 1 1 Q2 2Q1 (01) R1 R2 Q2 R2 10 2 A carga total não muda, portanto: Q1 Q2 3 (02) Q1 1μC Q2 2μC Substituindo 01 em 02, vem: Q1 2Q1 3 3Q1 3 Resposta da questão 5: Se ao entrar no espectrômetro o íon é desviado para cima, aplicando a regra da mão direita, concluímos tratar-se de um íon positivo. No Seletor esse íon tem trajetória retilínea. Assim, a força magnética, que é para cima, deve ser equilibrada pela força elétrica, que, então, é dirigida para baixo. Página 10 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ Se o íon é positivo a força elétrica tem o mesmo sentido do campo elétrico. Conclusão: o campo elétrico Es é para baixo, conforme indicado na figura. Calculando v: Dados: Es = 2.500 V/m; Bs = 5 10–2 T. E B Fmag = Felet | q | v B | q | E v = 2.500 5 102 v = 5 104 m/s. Resposta da questão 6: q/m = g . d E . h Resposta da questão 7: a) O campo elétrico total será a soma vetorial dos campos de cada uma das cargas. Como as cargas em A e C têm o mesmo valor e estão simetricamente dispostas em relação ao centro O, produzirão neste ponto campos elétricos de mesmo módulo, porém de sentidos contrários. Assim, estes dois campos se anularão, restando apenas o campo de B, cujo módulo é E kQB 9x109 6 106 6,0 107 N / C 2 2 R2 3 10 b) O potencial no centro é a soma algébrica dos potenciais criados pelas três cargas: V VA VB VC K QA QB QC R 9 109 10 106 3,0 106 V 2 3 10 Página 11 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ Resposta da questão 8: a) b) v = E/B Resposta da questão 9: 6 2 h. Resposta da questão 10: a) A figura mostra as forças de interação entre as duas cargas. Página 12 de 13 PROJETO ESPECÍFICAS - UERJ F k Q1 . Q2 d2 9 109 5 10 6 5 10 6 0,225N 12 b) A figura mostra os campos gerados pelas cargas no ponto médio. Como as cargas tem o mesmo valor e as distâncias ao ponto médio são iguais os campos tem a mesma intensidade. O campo resultante é nulo. Resposta da questão 11: a) F e terá a mesma direção que o campo E, mas sentido oposto, isto é: direção do eixo OZ com sentido negativo. Fm tem a direção do eixo OY e aponta no sentido positivo do eixo. b) Fe / Fm 3,0 102 Resposta da questão 12: a) F = q.E b) horizontal: ℓ = v.t vertical: h = v = ℓ. 1 a.t2 = q.E.t2/2.m 2 q.E / 2.m.h c) perpendicular à folha; para dentro da mesma; B = 1 2.m.h.E / q Página 13 de 13