Enunciado
Física - Young and Freedman - Vol 3- Ed: 12º - Capítulo 22.Exercício - Ex. 31
Uma carga negativa é colocada no interior da cavidade de um sólido metálico oco. A parte externa do sólido está aterrada por um fio condutor entre ele e a Terra. Há algum excesso de carga induzida na superfície interna do pedaço de metal? Em caso afirmativo, determine o seu sinal e módulo. Há qualquer excesso de carga na superfície externa do pedaço de metal? Por quê? Há um campo elétrico na cavidade? Explique. Há um campo elétrico dentro do metal? Por quê? Há um campo elétrico fora do pedaço de metal? Explique. Alguém fora do sólido poderia medir um campo elétrico produzido pela carga ? É razoável afirmar que o condutor aterrado blindou a região dos efeitos da carga ? Em princípio, o mesmo poderia ser feito com a gravidade? Por quê?
Passo 1
Devemos lembrar que um condutor sólido carregado, com ou sem uma cavidade interna, possui campo elétrico nulo em seu interior. Mesmo que o sólido metálico desse caso não tenha inicialmente uma carga, a partir do momento em que ele é aterrado por um fio condutor se torna carregado. Dessa forma, o campo elétrico em seu interior deve ser nulo.
Dito isso, como a superfície da cavidade possui carga , a superfície interna do sólido deve ter uma carga de mesma intensidade, mas de sinal contrário para anular o campo elétrico que seria gerado.
Portanto, o pedaço de metal possui carga em excesso em sua superfície interna.
Passo 2
Agora, como essas duas cargas presentes na cavidade e na superfície interna do metal já fazem o papel de zerar o campo elétrico em seu interior, não há carga excessiva na parte externa dele.
Além disso, a parte externa está aterrada, o que faz com que não haja carga excessiva.
Passo 3
Se considerarmos uma superfície gaussiana esférica que esteja externamente à superfície da cavidade, mas internamente a superfície do metal sólido, ela possuirá uma carga negativa em seu interior. Isso faz com que haja geração de um fluxo elétrico e, consequentemente, um campo elétrico sobre essa superfície.
Passo 4
Como explicado no início, um condutor sólido carregado não possui campo elétrico em seu interior e, portanto, não há campo elétrico dentro do metal.
Já para a parte de fora do pedaço de metal, devemos considerar uma superfície esférica gaussiana com raio maior do que o do sólido metálico. Dessa forma, essa superfície envolve ambas as cargas e e, a partir da lei de Gauss dada por:
Percebemos que o fluxo elétrico da superfície será zero, pelo fato de o fluxo gerado por ambas as cargas ter mesma intensidade, porém sinais opostos. Logo, não há geração de campo elétrico.
Passo 5
Lembrando que o campo elétrico de uma superfície gaussiana externa à superfície do metal é zero, uma fonte externa não iria detectar nenhum campo elétrico também.
Pela presença do aterramento, houve o surgimento de um excesso de carga na parede interior do metal, isso fez com que a carga fosse “anulada”.
De forma diferente, a gravidade não teria efeito nessa situação pelo fato de que ela não tem efeitos contrários que pudessem se anular. No caso do planeta Terra, ela tem apenas o efeito de atração para o centro do planeta.
Resposta
Sim,
Não
Sim
Não, não
Não, sim, não