Um grande pedaço de papel, macio e seco, e uma pequena régua de plástico estão inicialmente separados e eletricamente neutros. Então, atrita-se forte e repetidamente a régua de plástico com o papel. Após o atrito, deve-se observar que
a) ambos permanecerão neutros, pois são materiais isolantes elétricos.
b) apenas um deles ficará eletrizado, porém é impossível afirmar qual deles.
c) a carga elétrica do papel, por ter uma área maior que a da régua, será maior que a carga elétrica da régua.
d) como o papel tem área maior que a da régua, ele retirará quantidades iguais de cargas elétricas positivas e negativas da régua, ficando, portanto, eletrizado, e a régua permanecendo neutra.
e) ambos ficarão eletrizados com cargas de sinais opostos, porém de mesmo valor absoluto.
a) ambos permanecerão neutros, pois são materiais isolantes elétricos.
b) apenas um deles ficará eletrizado, porém é impossível afirmar qual deles.
c) a carga elétrica do papel, por ter uma área maior que a da régua, será maior que a carga elétrica da régua.
d) como o papel tem área maior que a da régua, ele retirará quantidades iguais de cargas elétricas positivas e negativas da régua, ficando, portanto, eletrizado, e a régua permanecendo neutra.
e) ambos ficarão eletrizados com cargas de sinais opostos, porém de mesmo valor absoluto.
Passo 1
O enunciado diz que há um grande pedaço de papel, macio e seco, e uma pequena régua de plástico, ambos inicialmente eletricamente neutros. Em seguida a régua é atritada forte e repetidamente com o papel. A pergunta é: após o atrito, qual alternativa entre (a) a (e) descreve corretamente o que se observa? Informações relevantes dadas:
- O papel e a régua começam neutros.
- Eles são materiais isolantes (papel e plástico).
- Há atrito repetido entre os dois corpos.
- A imagem fornecida mostra um pedaço de papel (essa informação foi extraída da imagem enviada).
Passo 2
Princípio físico fundamental: conservação da carga elétrica. Vou escrever isso com símbolos e explicar:
Aqui
é a carga elétrica total do papel e
é a carga total da régua. Como ambos começam neutros, tem-se
antes do atrito. A lei da conservação da carga diz que, se não há contato com o resto do mundo que permita sair ou entrar carga, a soma das cargas deve permanecer a mesma. Então, depois do atrito continua valendo
Isto significa que as cargas que um corpo ganha têm que ser exatamente compensadas pelas cargas que o outro corpo perde — em valor absoluto.
Passo 3
Mecanismo do eletrização por atrito (triboeletricidade): quando dois materiais são esfregados, elétrons podem passar de um material para o outro; não são as cargas positivas (prótons) que saem de um material para o outro, mas sim elétrons que se movem entre superfícies. Explicando passo a passo e de forma simples:
- Cada material tem tendência diferente a reter elétrons (isso está na chamada série triboelétrica).
- Durante o atrito, um dos materiais perde elétrons e fica com excesso de cargas positivas; o outro ganha esses elétrons e fica com excesso de cargas negativas.
- Como os elétrons que saem de um vão para o outro, a quantidade de carga negativa perdida por um é igual à quantidade de carga negativa ganha pelo outro — daí a igualdade de módulos.
Passo 4
Por que isso não contradiz o fato de serem isolantes? Materiais isolantes não impedem que elétrons sejam transferidos na superfície; eles apenas dificultam que essas cargas se movam pelo interior ou se dispersem para o ambiente. Na verdade, por serem isolantes, o excesso de carga tende a ficar onde foi depositado, tornando o efeito fácil de observar. Portanto a alternativa (a) está errada: ser isolante não impede um corpo de ficar eletrizado.
Passo 5
Explicando por que não pode ficar apenas um dos objetos eletrizado (alternativa (b) errada): para que apenas um ficasse eletrizado mantendo o outro neutro seria preciso que a carga transferida encontrasse um caminho para desaparecer (por exemplo, ir para o solo) sem deixar sinal no outro corpo — mas aqui a única interação é entre os dois corpos. Como a transferência de elétrons entre eles implica perda de elétrons de um e ganho do outro, ambos terão carga líquida não nula após o processo, salvo se houver conexão com algum reservatório de carga (terra), o que não é o caso descrito.
Passo 6
Sobre a área maior do papel (alternativa (c) e (d)): a área influencia a densidade superficial de carga
onde
é a carga total e
é a área. Uma área maior pode resultar em uma densidade superficial
menor para a mesma carga
. Mas a área por si só não altera a lei de conservação da carga: se
elétrons forem transferidos, o módulo da carga transferida será o mesmo para ambos, independente de quem tem maior área. Assim, não é correto afirmar que, só por ter área maior, o papel terá carga total maior (alternativa (c) está errada). Também é falso que o papel “retirará quantidades iguais de cargas positivas e negativas da régua” e deixará a régua neutra (alternativa (d) está errada): a transferência envolve essencialmente elétrons; o balanço entre ganhos e perdas resulta em cargas opostas, não em neutralidade de um só lado.
Passo 7
Formalizando o balanço de cargas com uma variável: suponha que, durante o atrito, uma carga
(em coulombs, negativa se forem elétrons) seja transferida do corpo A para o corpo B. Então, por conservação:
ou, dependendo do sentido real da transferência, pode ser o inverso. O importante é que os sinais são opostos e os módulos iguais:
Isso é exatamente o que a alternativa (e) afirma.
Passo 8
Comentário prático (opcional, para fixar): normalmente, na prática, plástico (como régua de plástico) tende a ganhar elétrons quando atritado com papel, ficando negativo, enquanto o papel tende a perder elétrons e ficar positivo. Mas essa informação não é necessária para escolher a alternativa correta; serve só para intuição experimental.
Passo 9
Resumo final do raciocínio: atrito transfere elétrons entre as superfícies; por conservação de carga, a carga retirada de um corpo aparece no outro com sinal oposto; portanto ambos ficam eletrizados e os valores absolutos das cargas são iguais.
Resposta
e) ambos ficarão eletrizados com cargas de sinais opostos, porém de mesmo valor absoluto.