Enunciado

Um capacitor de capacitância C é carregado até uma diferença de potencial V 0 . Os terminais do capacitor carregado são, a seguir, conectados aos terminais de outro capacitor descarregado, com capacitância igual a C/2. Calcule (a) a carga original do sistema; (b) a diferença de potencial final através de cada capacitor; (c) a energia final do sistema; (d) a diminuição da energia quando os capacitores são conectados. (e) Para onde foi a energia ‘perdida’ pelo sistema?

Passo 1

letra a)

A capacitância do capacitor C é dada por:

C = Q V o

Então a carga original será:

Q = C V o

Passo 2

letra b)

Os potenciais finais serão iguais, logo:

V 1 = V 2

Substituindo pela fórmula com a capacitância:

Q 1 C = Q 2 C / 2

Q 1 = 2 Q 2

Passo 3

Além disso sabemos que há conservação das cargas, logo:

Q = Q 1 + Q 2

Isolando o Q 2 :

Q 2 = Q - Q 1

Então temos:

Q 1 = 2 Q - Q 1

3 Q 1 = 2 Q

Q 1 = 2 3 Q

E a outra carga será:

Q 2 = Q - Q 1

Q 2 = Q - 2 3 Q

Q 2 = 1 3 Q

Passo 4

Substituindo na expressão dos potenciais:

V 1 = Q 1 C = 2 3 Q C

V 1 = 2 3 V o

E como V 1 = V 2 :

V 2 = 2 3 2 3 Q 2 C

Passo 5

letra c)

A energia armazenada nas placas do capacitor é dada por:

U = Q 1 2 2 C + Q 2 2 2 C / 2

U = Q 1 2 2 C + Q 2 2 C

U = 2 3 Q 2 2 C + 2 3 Q 2 C

U = 1 3 Q 2 C = 1 3 C V O 2 C

U = 1 3 C V O 2

Passo 6

letra d)

U O = Q 2 2 C

U O = 1 2 C V O 2

Então a diminuição será:

U - U O = 1 3 C V O 2 - 1 2 C V O 2

U - U O = - 1 6 C V O 2

Passo 7

letra e)

A energia se converteu em energia térmica no capacitor, nos fios e radiação eletromagnética.

Resposta

letra a) Q = C V o

letra b) V 1 = 2 3 V o , V 2 = 2 3 V o

letra c) U = 1 3 C V O 2

letra d) U - U O = - 1 6 C V O 2

letra e) Energia térmica no capacitor, nos fios e radiação eletromagnética.

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