1. Você pode usar um objeto carregado positivamente para carregar um objeto neutro (i) por condução (na ausência de aterramento) ou (ii) por indução (com aterramento). Para cada processo, que tipo de carga (positiva, negativa ou nenhuma) o objeto neutro adquire?
  2. Como observamos dois tipos de interações elétricas - atrativas e repulsivas postulamos dois tipos de carga. Você acha que também existem dois tipos de massa? Por quê? Você acha que existem dois tipos de pólo magnético? Por quê?
  3. A afirmação “um pente de plástico que foi passado algumas vezes no cabelo adquire carga negativa” é uma lei física ou uma definição? Quais são algumas diferenças entre uma lei e uma definição?
  4. Um balão esfregado no cabelo ou nas roupas gruda na parede. Se você colocar o lado esfregado contra a parede, ele gruda imediatamente. Experimente isto: depois de esfregar o balão no cabelo, coloque o lado que não foi esfregado contra a parede e perceba como o balão gira até que o lado esfregado toque a parede.
    (a) Desenhe um diagrama de corpo livre para o balão grudado na parede.
    (b) Sabendo que o balão gira até que a parte esfregada toque a parede, você acha que o balão é um isolante elétrico ou um condutor?
    (c) Alguma carga foi criada no balão ou na parede para que a adesão ocorresse?
    (d) Alguma carga foi transferida do balão para a parede? Por quê?
  5. O ar pode agir tanto como um isolante quanto como um condutor. Considere o caso de você alcançar uma maçaneta metálica após arrastar os pés sobre um carpete. Quando sua mão se aproxima da maçaneta, uma faísca salta entre sua mão e o metal. Explique como o ar atua como isolante e condutor nessa situação.

Passo 1

Vamos organizar o que o exercício pede e quais conceitos vamos usar. Há cinco itens principais:
  1. Como carrega um objeto neutro por condução e por indução.
  2. Se existem dois tipos de massa e dois tipos de pólo magnético.
  3. Se a afirmação sobre o pente de plástico carregado é lei ou definição e a diferença entre lei e definição.
  4. Fenômeno do balão que gruda na parede: diagrama de corpo livre, isolamento ou condução, criação ou transferência de carga.
  5. Por que o ar às vezes é isolante e às vezes condutor (faísca ao tocar maçaneta).
Os conteúdos usados são eletrostática básica (condução, indução, conservação de carga), gravitação, magnetismo, conceitos de lei física versus definição, forças de contato e de atração elétrica, e rigidez dielétrica do ar.

Passo 2

Para o objeto neutro carregado por:
(i) Condução (sem aterramento): aproximamos e tocamos o objeto neutro com o objeto positivamente carregado. Ele arranca elétrons do neutro até que ambos atinjam equilíbrio de potencial. Como saiu elétrons (carga negativa) do neutro, esse neutro fica carregado positivamente.
(ii) Indução (com aterramento): aproximamos o objeto positivamente carregado do neutro e conectamos o neutro à terra. A terra “empresta” elétrons que fluem para o objeto neutro atraídos pelo positivo. Desligamos a terra e só então afastamos o objeto carregado. O neutro fica com excesso de elétrons, logo carregado negativamente.

Passo 3

Existem dois tipos de massa? Não. A massa gera sempre atração gravitacional, não há repulsão gravitacional conhecida. Logo só há um “sinal” de massa (massa‐positiva).
Existem dois tipos de pólo magnético? No magnetismo observamos pólo norte e pólo sul, mas nunca um monopólo isolado. Sempre surgem dipolos, pois não há monopólos magnéticos conhecidos. Assim, não há “dois tipos de carga” magnética na mesma analogia de elétrons/protons.

Passo 4

A frase “um pente de plástico que foi passado algumas vezes no cabelo adquire carga negativa” é uma lei empírica, não uma definição.
  • Uma definição atribui significado a um símbolo ou termo (por exemplo, definir metro como distância que a luz percorre em certo intervalo).
  • Uma lei física descreve um comportamento observado da natureza e pode ser testada/falsificada (por exemplo, a lei de Coulomb). Esta frase resume um fenômeno triboelétrico testado, logo é uma lei.

Passo 5

Analisando o balão que gruda na parede:
(a) Diagrama de corpo livre:
  • \vec{F}_{e}: força elétrica de atração para dentro da parede.
  • \vec{W}=m\vec{g}: peso para baixo.
  • \vec{F}_{f}: força de atrito estático para cima, equilibrando o peso.
(b) O balão é um isolante, pois a carga permanece concentrada na região esfregada e não se redistribui por toda a sua superfície. Isso faz com que o lado não esfregado inicialmente fique neutro, permitindo o giro por torques de atração diferenciada.
(c) Nenhuma carga foi criada; houve apenas separação (ou transferência de elétrons pelo atrito), mas a carga total balã o+parede se conserva.
(d) Não houve transferência permanente de carga do balão para a parede. A parede apenas se polarizou (indução), atraindo cargas de sinal oposto à superfície interna, mas não recebeu elétrons de forma definitiva.

Passo 6

No caso da faísca entre a mão e a maçaneta:
  • Enquanto você aproxima a mão, o ar se comporta como isolante, pois não há portadores livres suficientes para conduzir corrente a campos baixos.
  • Quando a diferença de potencial fica grande, o campo elétrico supera a rigidez dielétrica do ar e ocorre ionização das moléculas de ar. Isso gera íons e elétrons livres que tornam o ar condutor, permitindo a passagem de corrente (a faísca).

Resposta

  1. Por condução adquire carga positiva; por indução (com terra) adquire carga negativa.
  2. Não existe repulsão gravitacional (logo não há dois tipos de massa); não existem monopólos magnéticos (apenas dipolos).
  3. É uma lei empírica, pois descreve um fenômeno observado e testável; definições são convenções que atribuem sentido a termos.
  4. (a) \vec{F}_{e} na direção da parede, \vec{W}=m\vec{g} para baixo, \vec{F}_{f} para cima.
    (b) É um isolante.
    (c) Não, só houve separação de carga.
    (d) Não, só houve polarização da parede.
  5. O ar é isolante em campos baixos; quando o campo ultrapassa sua rigidez dielétrica, ioniza-se e atua como condutor, permitindo a faísca.

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