UFRJ- Física 3 – P1 2018.2 - DIURNO - 3
O campo elétrico produzido por uma distribuição esfericamente simétrica de cargas tem a forma , onde é a distância até a origem de um sistema de coordenadas, que coincide com o centro da distribuição, e é o vetor unitário da direção radial. O gráfico é mostrado na figura abaixo. Considere que a distribuição se encontra em equilíbrio eletrostático, que e que .
Sobre essa distribuição, considere as seguintes afirmativas abaixo:
- A região está preenchida por um material isolante uniformemente carregado.
- A região está preenchida por um material condutor perfeito.
- A carga total contida na região é nula.
São VERDADEIRAS as seguintes afirmativas:
- e
- e
- e
- , e
- Nenhuma delas.
Passo 1
Vamos começar analisando a afirmação . Se o material que está nessa região é preenchido por um isolante cuja carga está uniformemente distribuída, então se fizermos uma gaussiana esférica com raio , como está na figura abaixo, a carga que está dentro dessa gaussiana é
Como temos simetria esférica, então o campo elétrico produzido pela carga positiva terá o mesmo valor sobre todos os pontos da gaussiana e será paralelo ao vetor elemento de área em todos os pontos dessa superfície.
Por isso, a lei de Gauss vai dar o seguinte:
Quando simplificamos essa expressão, vamos obter que o módulo do campo produzido pela carga positiva dentro de será igual a
que cresce linearmente com a distância ao centro da esfera. Portanto, a afirmativa está correta: um isolante uniformemente carregado produz um campo elétrico linear com na região .
Passo 2
A afirmativa está errada, pois, caso na região tivesse um condutor perfeito, o campo elétrico seria nulo nesse volume, o que indicaria a ausência de cargas. Porém, se a gente faz uma gaussiana esférica com raio , a carga total dentro dessa região é a carga total da esfera isolante uniformemente carregada.
Por isso, o campo elétrico que o gráfico mostra para decai à medida que a distância aumenta, já que o campo que produz é proporcional a .
Passo 3
Para analisarmos o item , precisamos dar uma olhada para o gráfico e ver que o campo elétrico na região é nulo.
Se fizermos uma gaussiana esférica com raio concêntrica à esfera isolante de raio , como está na figura acima, teremos que ter, pela lei de Gauss, que
o que mostra que a carga total no interior da região é zero.
Resposta
Letra c.