Tutorial de Física. Carga Elétrica e Lei de Coulomb.

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1 Tutorial de Física Carga Elétrica e Lei de Coulomb. 1. Interações Elétricas. A. Pressione um pedaço de fita adesiva, de cerca de 15 a 20cm de comprimento, firmemente 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. i. Descreva 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. i 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. i. 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 Baseado em suas observações anteriores, é possível que haja somente um tipo de carga? Se não, qual é o número mínimo de diferentes tipos de carga necessários para explicar as suas observações anteriores? Explique.

2 2. Superposição. A Lei de Coulomb estabelece 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. A força exercida na carga +q é maior, menor ou igual a força exercida na carga +Q? Explique. i Se a distância que separa as duas cargas fosse 2s, por qual fator mudaria o módulo da força elétrica? B. Duas outras cargas +Q são colocadas a mesma distância s da carga +q, como mostrado na figura ao lado. Considere o seguinte diálogo entre dois estudantes 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." i. Você concorda com algum dos estudantes? Explique. Indique a direção da força elétrica resultante na carga +q. Explique. i O que pode ser dito sobre como o módulo da força elétrica na carga +q muda quando as duas cargas +Q são adicionadas? Explique.

3 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. 3. Carga distribuída. A. Suponha que um bastão de acrílico seja carregado eletricamente atritando-o com lã. O bastão carregado é colocado na posição horizontal, como mostra a figura ao lado. Uma bola de isopor carregada positivamente é usada para explorar a região ao redor do bastão. i. Esquematize um vetor para representar a força elétrica resultante na bola em cada ponto marcado por um X. 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. i Com base nos vetores que você desenhou, é apropriado considerar o bastão carregado como uma carga pontual? Explique.

4 C. Suponha que dois bastões carregados são seguros juntos como mostrado na figura ao lado, e uma bola carregada é colocada no ponto P. O bastão mais afastado do ponto P exercerá uma força elétrica na bola? Explique. 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. i. Indique a direção aproximada da força na bola nos pontos A e B, na figura ao lado, 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. i O segmento 2 exerce uma força na bola quando a bola é colocada no ponto B? Explique. E. No caso A à 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. Considere o seguinte diálogo entre dois estudantes:

5 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 diretamente 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. 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 colocada próxima a uma carga pontual, como mostrado na figura ao lado. i. A bola seria atraída, repelida ou não afetada pela carga pontual positiva? Explique. Sua resposta é consistente com a Lei de Coulomb? Explique. B. Uma bola é presa a um suporte por um fio isolante. Um pedaço de fita é aproximado da bola. Você observaria força de atração, de repulsão ou nenhuma força elétrica entre esses dois objetos? Explique. 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.