Um capacitor de placas planas paralelas de área A, separadas entre si por uma distância inicial r0 muito menor que as dimensões dessa área, tem sua placa inferior fixada numa base isolante e a superior suspensa por uma mola (figura (1)). Dispondo-se uma massa m sobre a placa superior, resultam pequenas oscilações de período T do conjunto placa superior + massa m. Variando-se m, obtém-se um gráfico de T2 versus m, do qual, após ajuste linear, se extrai o coeficiente angular α. A seguir, após remover a massa m da placa superior e colocando entre as placas um meio dielétrico sem resistência ao movimento, aplica-se entre elas uma diferença de potencial V e monitora-se a separação r de equilíbrio (figuras (2) e (3)). Nestas condições, a permissividade ε do meio entre as placas é
A princípio, comecemos por seguir a sequência de informações do enunciado. Assim, vamos assumir que a massa da placa superior seja desprezível, ou seja, $r_0$ será nossa referência para distensão da mola. Nesse sentido, após colocar a massa $m$, para o equilíbrio, segue:\begin{matrix}
F_{peso} = F_{elástica} &\therefore& mg = K(r_0 -r)
\end{matrix}Por outro lado, sabe-se que após a perturbação, isto é, colocar a massa $m$, o sistema entra em pequenas oscilações. Por isso, vamos supor que a placa se movimenta $x$ para baixo em determinado instante - isso é o mesmo que supor um acréscimo na distensão, veja:\begin{matrix}
ma = K[r_0 -(r+x)] - mg
\end{matrix}Consequentemente,\begin{matrix}a + \dfrac{K}{m}x = 0 &\Rightarrow& \omega^2 = \dfrac{K}{m} &\therefore& T = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{K}}
\end{matrix}Adiante, o enunciado nos informa que num gráfico $T^2$ versus $m$ é possível extrair um coeficiente angular $\alpha$, vejamos:\begin{matrix}T^2 = \left(\dfrac{4\pi^2}{K}\right)m &\therefore& \alpha = \dfrac{4\pi^2}{K}
\end{matrix}Certo, a partir daqui não existe mais $\text{MHS}$, dado que a massa $m$ será removida do sistema. Contudo, após a remoção, coloca-se um meio dielétrico entre placas, assim como se aplica uma diferença de potencial - o que resulta numa força elétrica entre as placas. Ao analisar o gráfico, é possível notar um ponto de equilíbrio bem definido em $V_m$, visto que sabemos a separação entre as placas nele. Nesse contexto, novamente, analisemos o equilíbrio:\begin{matrix}
F_{elétrica} = F_{elástica} &\Rightarrow& 2E_m \cdot Q_m = K(r_0 -2r_0/3) &\therefore& \dfrac{V_mQ_m}{4r_0/3}= K(r_0 -2r_0/3)
\end{matrix}$\color{orangered}{\text{Obs:}}$ Cada placa produz um campo elétrico $E_m$, consequentemente, o total é $2E_m$. Além disso, vale lembrar que $ V_m = 2E_m (2r_o/3)$.
Então,\begin{matrix}Q_m = \dfrac{4r_0^2}{9V_m} \cdot K
\end{matrix}Conforme resultado em $\alpha$, pode-se substituir $K$:\begin{matrix}
Q_m = \dfrac{4r_0^2}{9V_m} \cdot \dfrac{4\pi^2}{\alpha}
\end{matrix}Bem, agora é simplesmente achar a permissividade, valendo-se assim das definições de capacitância:\begin{matrix}
C = \dfrac{Q_m}{V_m} &,&C= \dfrac{\varepsilon A}{2r_0/3}
\end{matrix}Portanto,\begin{matrix}
\varepsilon = \dfrac{32\pi^2 r_0^3}{27\alpha A V_m^2} & \tiny{\blacksquare}
\end{matrix}\begin{matrix}Letra \ (A)
\end{matrix}