Questão 127, caderno azul ENEM 2024

Em um experimento de laboratório, duas barras metálicas, A e B, são carregadas com cargas opostas e imersas em óleo. Farelo de milho é jogado sobre o óleo e, após um certo tempo, o farelo assume o formato das linhas de campo elétrico entre as barras. A figura representa a vista superior desse experimento.

ALMEIDA, M. A. T. Introdução às ciências físicas 2 — volume 4:
módulo 4. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2007 (adaptado).

Ao repetir o experimento colocando um cilindro metálico oco entre as placas, o esquema que representa o formato das linhas de campo assumido pelo farelo é:

✍ Resolução Em Texto

Matérias Necessárias para a Solução da Questão:
- Eletrostática (Campo Elétrico, Linhas de Campo)
- Eletrostática (Condutores em Equilíbrio Eletrostático, Blindagem Eletrostática)
- Interpretação de Esquemas
Tema/Objetivo Geral: Analisar a perturbação causada por um cilindro condutor oco em um campo elétrico uniforme e identificar a representação correta das linhas de campo resultantes.
Nível da Questão: Médio.
- A questão exige o conhecimento de duas regras fundamentais sobre condutores em equilíbrio eletrostático: 1) o campo elétrico em seu interior é sempre nulo, e 2) as linhas de campo externas chegam e saem perpendicularmente à sua superfície. O candidato que conhece essas duas “leis” consegue resolver o problema por eliminação.
Gabarito: E
- A alternativa está correta porque um cilindro metálico oco, quando colocado em um campo elétrico externo, sofre indução de cargas e atinge o equilíbrio eletrostático. Nessa condição, o campo elétrico em seu interior (tanto no metal quanto na cavidade oca) é nulo. Portanto, não pode haver linhas de campo dentro do círculo. Além disso, as linhas de campo externas se curvam para chegar e sair perpendicularmente à superfície do cilindro. A imagem E é a única que representa corretamente essas duas características.

PASSO 1 – O QUE A QUESTÃO QUER? (O MAPA DA MINA)

Decodificação do Objetivo: Em bom português, a missão é: “A primeira imagem mostra como as linhas de um campo elétrico se parecem em um espaço vazio. Agora, se colocarmos um cilindro de metal oco no meio desse campo, como as linhas vão se comportar? Qual dos cinco desenhos representa corretamente o novo ‘mapa’ do campo elétrico?”

Simplificação Radical (A Analogia Central): Imagine o campo elétrico como um rio com uma correnteza forte e uniforme. As linhas de campo são o fluxo da água. Agora, você coloca uma rocha grande e redonda no meio do rio. O que acontece com a água? Primeiro, a água não passa por dentro da rocha; ela é forçada a desviar ao redor dela. Segundo, a água que bate na rocha e a que sai dela o faz de uma maneira específica, perpendicular à superfície naquele ponto. O cilindro metálico é essa “rocha” para o “rio” elétrico. Ele cria uma “sombra” de campo nulo em seu interior e desvia o fluxo ao seu redor. A questão nos pede o desenho correto desse desvio.

Plano de Ataque (O Roteiro da Investigação):

Relembrar as “Leis do Condutor”: Quais são as duas regras de ouro que governam o comportamento de um condutor metálico em um campo elétrico?
Aplicar a Lei 1 (O Interior): O que acontece com as linhas de campo dentro do cilindro?
Aplicar a Lei 2 (O Exterior): Como as linhas de campo se comportam ao redor do cilindro?
Realizar a Autópsia: Vamos usar essas duas leis para periciar cada um dos esquemas suspeitos.

PASSO 2 – DESVENDANDO AS FERRAMENTAS (A CAIXA DE FERRAMENTAS)

Para este caso, a melhor ferramenta é o Dossiê Forense do Condutor em Equilíbrio.

DOSSIÊ: O COMPORTAMENTO DE UM CONDUTOR

A SITUAÇÃO: Um objeto metálico (rico em elétrons livres) é colocado em um campo elétrico externo (que vai do + para o -).
O PROCESSO (Indução de Cargas):
- O campo externo puxa os elétrons livres do metal. Eles se acumulam no lado que “olha” para a placa positiva.
- Isso deixa o lado oposto do metal com uma falta de elétrons, ou seja, com uma carga positiva.
- O condutor fica polarizado: um lado negativo, outro positivo.
A CONSEQUÊNCIA (As Duas Leis):
LEI 1: CAMPO INTERNO NULO (A “Gaiola de Faraday”)
- Essa separação de cargas cria um campo elétrico interno que aponta na direção oposta ao campo externo.
- Em uma fração de segundo, os elétrons se rearranjam até que o campo interno cancele perfeitamente o campo externo em todo o interior do condutor.
- Veredito: O campo elétrico dentro de um condutor em equilíbrio (e em qualquer cavidade oca dentro dele) é SEMPRE ZERO. Portanto, NÃO PODE HAVER LINHAS DE CAMPO NO INTERIOR DO CILINDRO.
LEI 2: PERPENDICULARIDADE NA SUPERFÍCIE
- Como o campo interno é nulo, a superfície do condutor se torna uma “superfície equipotencial”.
- Uma propriedade fundamental da física é que as linhas de campo elétrico são sempre perpendiculares às superfícies equipotenciais.
- Veredito: As linhas de campo externas devem “morrer” e “nascer” na superfície do cilindro formando um ângulo de 90 graus.

PASSO 3 – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)

Nosso dossiê nos deu as duas “armas” para resolver o crime. Agora, vamos usá-las para eliminar os suspeitos.

Aplicando a Lei 1 (Campo Nulo): Vamos procurar por esquemas que mostrem linhas de campo dentro do círculo.
- A, B, C e D mostram linhas passando por dentro do cilindro. Todas elas violam a Lei 1. Estão todas erradas por essa razão.
- Apenas o esquema E mostra o interior do cilindro completamente vazio, sem linhas de campo.

Conclusão da Investigação: Apenas com a primeira lei, já resolvemos o caso. O esquema E é o único fisicamente plausível. Vamos checar a Lei 2 para confirmar.

Aplicando a Lei 2 (Perpendicularidade):
- No esquema E, as linhas de campo se curvam para chegar à superfície esquerda do cilindro e para sair da superfície direita. Visualmente, elas chegam e saem formando ângulos retos com a superfície curva. A Lei 2 também é respeitada.

🚨 ARMADILHA CLÁSSICA! 🚨

CUIDADO! O erro mais comum é pensar que o campo elétrico simplesmente “passa reto” pelo objeto (alternativa A) ou que ele se “concentra” de alguma forma estranha dentro dele (alternativas C e D). O erro fundamental é não conhecer o princípio da blindagem eletrostática (Gaiola de Faraday), que garante que o campo no interior de um condutor oco em equilíbrio é sempre nulo.

A Bússola (O Perfil do Culpado):

Síntese do raciocínio: A investigação, baseada nos princípios dos condutores em equilíbrio, exige um esquema com duas características: ausência de campo no interior e linhas perpendiculares à superfície.
Expectativa: A alternativa correta deve ser a única que mostra um círculo “vazio” de linhas de campo.

PASSO 4 – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)

Vamos agora interrogar formalmente cada um dos suspeitos.

A)
- O “Diagnóstico do Erro”: Violação da Lei 1. Mostra as linhas de campo atravessando o cilindro como se ele não existisse. Ignora completamente o efeito de um condutor.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
B)
- O “Diagnóstico do Erro”: Violação da Lei 1. Mostra linhas de campo dentro do cilindro. A deformação externa também é fisicamente incorreta.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
C)
- O “Diagnóstico do Erro”: Violação da Lei 1. Mostra linhas de campo dentro do cilindro, embora deformadas.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
D)
- O “Diagnóstico do Erro”: Violação da Lei 1. Mostra linhas de campo se cruzando dentro do cilindro, o que é duplamente errado (linhas de campo nunca se cruzam e o campo interno deveria ser nulo).
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
E)
- Análise de Correspondência: Esta alternativa é o retrato falado da nossa Bússola.
  - Respeita a Lei 1: O interior do cilindro está vazio, indicando campo elétrico nulo.
  - Respeita a Lei 2: As linhas de campo externas se curvam para chegar e sair perpendicularmente à superfície do condutor.
- Conclusão: 🟢 Alternativa correta.

PASSO 5 – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)

Frase de Fechamento: Confirmamos que a alternativa E é a correta. Este caso é uma bela demonstração do fenômeno da Blindagem Eletrostática ou Gaiola de Faraday, um dos princípios mais importantes e com mais aplicações práticas do eletromagnetismo.

Resumo-flash (A Imagem Mental): O condutor é um “guarda-costas” de elétrons que se sacrificam na superfície para manter o interior em paz.

🧠 Para ir Além (A Ponte para o Futuro): O mesmo princípio da Gaiola de Faraday é o que te mantém seguro dentro de um carro ou de um avião durante uma tempestade com raios. A carroceria metálica do carro ou a fuselagem do avião funcionam exatamente como o cilindro oco da questão. Quando um raio (uma descarga elétrica imensa) atinge o veículo, as cargas elétricas se distribuem pela superfície externa do metal, mas o campo elétrico em seu interior permanece nulo. Por isso, você e os equipamentos eletrônicos dentro do carro ou do avião ficam protegidos. A física que desvia as linhas de campo no experimento é a mesma que desvia um raio para longe de você.