Três esferas metálicas maciças e , feitas de um mesmo material e de raios , e , respectivamente, podem trocar cargas elétricas entre si a partir do acionamento de contatos elétricos. Inicialmente apenas encontra-se eletricamente carregada. Em um primeiro momento estabelece-se contato elétrico entre e , que é cortado quando o sistema atinge o equilíbrio elétrico. A seguir, estabelece-se contato entre e . Ao final do processo, observa-se que a carga elétrica líquida das três esferas é igual. Desprezando a capacitância mútua entre as esferas, assinale a proporção entre as massas de , e , respectivamente.
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Seja $q$ a carga do sistema $E_{1}$ , $E_{2}$ e $E_{3}$.
Usando o princípio da conservação da carga , dado o contato de $E_{1}$ e $E_{2}$ até que o sistema atinja o equiíbrio estático , a soma das cargas finais $q'_{1}$ e $q'_{2}$ é igual a soma das cargas antes do contato(iniciais) $q_{1}$ e $q_{2}$.
$\therefore$
$q'_{1} + q'_{2} = q_{1} + q_{2} =\dfrac{q}{3} + q'_{2} = q + 0 \implies q'_{2} = \dfrac{2q}{3} = q'_{2} = 2q'$
Como $E_{1}$ , $E_{2}$ e $E_{3}$ são esferas maciças , note que por termos encontrado a relação $q'_{2} = 2q'$ ao final do contato elétrico entre $E_{1}$ e $E_{2}$ podemos afirmar que a capacitância de $E_{2}$ é o dobro da capacitância de $E_{1}$ , como a capacitância é proporcional ao raio para esferas , temos que $R_{2} = 2R_{1}$.
Realizando o mesmo processo para $E_{2}$ e $E_{3}$ poderemos encontrar a relação $R_{2} = R_{3}$.
Logo existe a relação $R_{3} = R_{2} = 2R_{1}$.
Como essas esferas são feitas do mesmo material , podemos afirmar que a densidade de cada uma das esferas são iguais , ou seja :
$d_{1} = d_{2} = d_{3}$ $\therefore$ $\dfrac{m_{1}}{V_{1}} = \dfrac{m_{2}}{V_{2}} = \dfrac{m_{3}}{V_{3}} $
$ \therefore $ $\dfrac{m_{1}}{(4/3)\pi R^3_{1}} = \dfrac{m_{2}}{(4/3)\pi R^3_{2}} = \dfrac{m_{3}}{(4/3)\pi R^3_{3}} $
$\therefore$ $ \dfrac{m_{1}}{ R^3_{1}} =\dfrac{m_{2}}{R^3_{2}} = \dfrac{m_{3}}{ R^3_{3}}$
$ = \dfrac{m_{1}}{ R^3_{1}} =\dfrac{m_{2}}{8R^3_{1}} = \dfrac{m_{3}} {8R^3_{1}}$
$\implies m_{1}=\dfrac{m_{2}}{8} = \dfrac{m_{3}}{8}$
$\implies m_{3} = m_{2} = 8m_{1}$
Portanto , a proporção entre as massas de $E_{1}$ , $E_{2}$ e $E_{3}$ é dada por $1:8: 8$
$\textbf{Resposta : Letra E}$