Um capacitor de placas paralelas é carregado por meio de uma bateria, que é retirada logo a seguir. Uma placa dielétrica é, então, introduzida entre as placas do capacitor. Descreva qualitativamente o que acontece com: a carga, a capacitância, a diferença de potencial, o campo elétrico e a energia armazenada. E se a bateria não fosse desligada?

Passo 1

Beleza, vamos entender o que o enunciado está pedindo. Temos um capacitor de placas paralelas que é carregado por uma bateria, mas a bateria é removida logo depois. Depois disso, inserimos um material dielétrico entre as placas do capacitor. Precisamos descrever, de forma qualitativa, o que acontece com a carga armazenada, a capacitância, a diferença de potencial (voltagem), o campo elétrico e a energia armazenada no capacitor. Além disso, devemos considerar o que aconteceria se a bateria não tivesse sido desligada. Para resolver isso, vamos precisar lembrar dos conceitos básicos de capacitância, carga, potencial elétrico, campo elétrico e energia em capacitores, especialmente quando um dielétrico é inserido.

Passo 2

Primeiro, vamos falar sobre a carga no capacitor quando a bateria é removida. Quando a bateria está conectada, ela mantém uma certa diferença de potencial entre as placas, permitindo que uma quantidade específica de carga seja armazenada no capacitor. Mas quando a bateria é retirada, a carga no capacitor fica fixa porque não há mais caminho para os elétrons se moverem. Então, a carga permanece a mesma mesmo com a inserção do dielétrico.

Passo 3

Agora, sobre a capacitância. A capacitância de um capacitor é dada por , onde é a constante dielétrica do material inserido, é a permissividade do vácuo, é a área das placas e é a distância entre elas. Quando inserimos um dielétrico, aumenta, então a capacitância também aumenta. Isso significa que o capacitor pode armazenar mais carga para a mesma diferença de potencial, ou a mesma carga para uma diferença de potencial menor.

Passo 4

Sobre a diferença de potencial (voltagem) entre as placas, como a carga permanece constante e a capacitância aumenta, usando a relação , vemos que a voltagem diminui. Portanto, ao inserir o dielétrico, a diferença de potencial entre as placas diminui.

Passo 5

O campo elétrico entre as placas de um capacitor é dado por . Já que a voltagem diminuiu e a distância permanece a mesma, o campo elétrico também diminui quando o dielétrico é inserido.

Passo 6

Finalmente, a energia armazenada no capacitor é dada por . Como a capacitância aumentou e a voltagem diminuiu, precisamos ver qual efeito pesa mais. Na verdade, a energia armazenada diminui porque a redução na voltagem é mais significativa que o aumento na capacitância. Isso porque a energia depende do quadrado da voltagem.

Resposta

Ao inserir um dielétrico entre as placas de um capacitor com a bateria desligada:
  • A carga no capacitor permanece constante.
  • A capacitância aumenta.
  • A diferença de potencial diminui.
  • O campo elétrico entre as placas diminui.
  • A energia armazenada no capacitor diminui.
    Se a bateria não fosse desligada, a diferença de potencial permaneceria constante, permitindo que a carga aumentasse proporcionalmente à capacitância, mantendo o campo elétrico constante e aumentando a energia armazenada.

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