Relatorio 1VA Física 3

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO
Unidade Acadêmica do Cabo de Santo Agostinho
Campus Abolicionista Joaquim Nabuco
Coordenação do Curso de Engenharia de Materiais
RELATÓRIO REFERENTE AS SIMULAÇÕES PRÁTICAS DA DISCIPLINA DE FÍSICA GERAL III
CABO DE SANTO AGOSTINHO/PERNAMBUCO
NOVEMBRO - 2021.
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO
Unidade Acadêmica do Cabo de Santo Agostinho
Campus Abolicionista Joaquim Nabuco
Coordenação do Curso de Engenharia de Materiais
RELATÓRIO REFERENTE AS SIMULAÇÕES PRÁTICAS DA DISCIPLINA DE FÍSICA GERAL III
Relatório das atividades práticas (simulações) apresentado à Unidade Acadêmica do Cabo de Santo Agostinho (UACSA), da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE), em cumprimento às exigências da disciplina Física Geral 3, ministrada pelo Prof. Dr. SERGIO VLADIMIR DEGIORGI, para 1ª VA.
Graduando: PAULO VINICIUS LIMA DOS SANTOS
Cabo de Santo Agostinho/Pernambuco 
Novembro - 2021
LEI DE COULOUMB: UMA ABORDAGEM TEÓRICA E PRÁTICA DOS CONCEITOS PARA UMA APRENDIZAGEM MAIS EFETIVA.
Resumo
	O presente trabalho apresenta uma revisão teórica, seguido de vários exemplos práticos hipotéticos que ajudam a compreender na prática os conceitos da Lei de Coulomb. Para confirmar todos os conceitos dessa teoria, foram usados seis casos que abordam a influência do módulo da carga, da distância entre elas e das forças de atração/repulsão de acordo com a natureza das cargas. Relatamos os cálculos experimentais e teóricos seguidos de uma explicação conceitual do que foi abordado em cada caso. Foram realizados também os cálculos de erros para identificar se a teoria se aproximava da prática e obtemos resultados satisfatórios com média de erro de apenas 0,03%. 
 Objetivo geral
Realizar simulações computacionais sobre a Lei de Coulomb, ministrada teoricamente na primeira unidade da disciplina de Física Geral 3, descrevendo e analisando os procedimentos e discutindo os resultados obtidos, tendo como objetivo uma aprendizagem maior sobre o assunto.
Objetivos específicos
· Elucidar os conteúdos vistos em sala de aula
· Discutir os conceitos da Lei de Coulomb na prática
· Realizar simulações e descrevê-las. 
· Analisar e explicar os resultados obtidos.
· Mostrar a influência da distância entre as cargas, assim como o módulo delas.
Introdução
A lei de Coulomb é uma lei experimental da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Foi formulada e publicada pela primeira vez em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb e foi essencial para o desenvolvimento do estudo da eletricidade.[1]
Esta lei estabelece que o módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva dependendo do sinal das cargas. É atrativa se as cargas tiverem sinais opostos. É repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal.[1] 
Ilustração que cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.
Para tanto, Charles Coulomb fez uso de uma balança de torção, similar à balança que fora usada por Henry Cavendish para a determinação da constante da gravitação universal.[2]
Coulomb utilizou uma balança de torção similar à representada na figura para medir a força elétrica entre duas cargas.
A unidade de medida de carga no Sistema Internacional de unidades é uma homenagem a Coulomb pelas suas contribuições ao estudo da eletricidade. 
Definição da Lei de Coulomb
A magnitude das forças eletrostáticas com as quais duas cargas pontuais em repouso interagem é diretamente proporcional ao produto da magnitude de ambas as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
A força eletrostática atua ao longo da linha reta entre as cargas. Se ambas as cargas possuem o mesmo sinal, a força eletrostática entre elas será de repulsão; se elas possuírem sinais diferentes, a força entre elas será de atração.[1]
A lei de Coulomb também pode ser expressa como uma expressão matemática simples. As formas escalar é dada por:
Lei de Coulomb
Onde:
· F = força elétrica entre as cargas (medida em Newtons)
· Q1 e Q2 = Cargas elétricas (medida em Coulomb)
· d = distância entre as cargas
· k= constante eletrostática, no vácuo (k=8,99x109 N.m2/C2)
Limitações da Lei de Coulomb
Existem três condições a serem cumpridas para a validade da lei de Coulomb: [1]
· As cargas devem ter uma distribuição esfericamente simétrica (por exemplo, cargas pontuais ou uma esfera de metal carregada).
· As cargas não devem se sobrepor (por exemplo, devem ser cargas pontuais distintas).
· As cargas devem ser estacionárias uma em relação à outra.
Descrição do software escolhido
O Software escolhido para realizar os experimentos foi o PhET (www.phet.colorado.edu). Esse material foi produzido pela Universidade do Colorado e é disponibilizado gratuitamente para utilização de professores e estudantes. As simulações disponibilizadas contemplam conteúdos de Física, Matemática, Química e Biologia. Para o presente trabalho foi utilizado o conteúdo da disciplina de Física e Eletricidade.
“Fundado em 2002 pelo ganhador do Prêmio Nobel Carl Wieman, o projeto PhET Interactive Simulations da Universidade do Colorado Boulder cria simulações matemáticas e científicas interativas e gratuitas. PhET sims são baseados em extensa pesquisa educacional e envolvem os alunos através de um ambiente intuitivo, semelhante a um jogo, onde os alunos aprendem através da exploração e descoberta.” (Disponível em: https://phet.colorado.edu/.)
A plataforma é bastante intuitiva e de fácil utilização. Devido a sua simplicidade aliada a uma boa complexidade dos assuntos abordados, a plataforma já ultrapassou a marca de um bilhão de simulações realizadas ao redor do mundo. Por ser de fácil acesso, simples, intuitiva, possuir uma grande quantidade de assuntos a se realizar simulações o PhET foi escolhido para a realização desse trabalho.
Procedimentos experimentais
Caso 1 - A força entre cargas independe da posição e só depende da distância entre elas.
Atribua o valor de -2μC para a carga da esquerda e -2μC para a carga da direita. Para provar que a força entre as cargas independe da posição e só depende das distâncias posicione as cargas nas posições sugeridas na tabela:
	Q1 = -2μC
	Q2 = -2μC
	4cm
	8cm
	2cm
	6cm
Posição de Q1 = 4cm e Q2 = 8cm
Posição de Q1 = 2cm e Q2 = 6cm
Caso 2 - Duplicando os valores das cargas e verificando o que ocorre com o módulo da força.
Duplicando o valor do módulo das cargas e verifique o que ocorre com o módulo da força entre as cargas.
Cargas com seus módulos duplicados
Caso 3 - Duplicando a distância entre as partículas
Mantendo as cargas q1=-4 μC e q2=+4 μC, posicione as cargas de modo que a distância entre elas seja 8cm. Verifique o valor da força após esse afastamento da força.
Mesmas cargas com a distância duplicada
Caso 4 – Módulo e direção da força
Substitua a carga q1=-4 μC por uma carga q1=4 μC. Verifique o que ocorre com o módulo e a direção da força elétrica que q1 exerce sobre q2.
Agora ambas as cargas possuem o mesmo sinal
Caso 5 – Aproximação entre as cargas
Posicione a carga q2 aproximando-a de q1 e verifique o que ocorre com o módulo da força que q1 exerce sobre q2.
Cargas próximas
Caso 6 – Gráfico Força x Distância
Adote os valores de q1=-10 μC e q2=+10 μC e teste a força que exercida pelas cargas para as distâncias sugeridas na tabela abaixo.
	Distância
	Força
	2cm
	
	4cm
	
	6cm
	
	8cm
	
	9cm
	
Com os dados obtidos acima faça um gráfico Força x distância.
D = 2cm
D = 4cm
D = 6cm
D = 8cm
D = 10cm
Resultados e discussões
Caso 1 - A força entre cargas independe da posição e só depende da distância entre elas.
Obtemos os seguintes resultados:
	
	Q1 = -2 μC
	Q2 = 2 μC
	Força
	P1
	4cm
	8cm
	22.469
	P2
	2cm
	6cm
	22.469
Podemos observar que a mudançada posição não alterou o resultado do módulo da força eletroestática pois mantemos a distância de 4cm entre as partículas. Esse resultado já era esperado de acordo com a teoria vista em aula.
Caso 2 - Duplicando os valores das cargas e verificando o que ocorre com o módulo da força.
Obtemos os seguintes resultados:
	
	Q1 = -4 μC
	Q2 = 4 μC
	Força
	P1
	2cm
	6cm
	89.876
Neste caso, observamos que se mantermos a distância entre as partículas e duplicarmos os valores das cargas, temos uma força quatro vezes maior do que a força relatada anteriormente. Esse resultado é esperado já que a força é diretamente proporcional ao produto das cargas, então se multiplicamos os módulos das cargas por quatro (duas vezes em cada partícula) o resultado da força será quatro vezes maior
Caso 3 - Duplicando a distância entre as partículas
Obtemos os seguintes resultados:
	
	Q1 = -4 μC
	Q2 = 4 μC
	Força
	P1
	2cm
	10cm
	22.469
Aqui observamos que dobrando a distância, o resultado da força será quatro vezes menor. Esse resultado é justo pois a força eletroestática é inversamente proporcional ao quadrado da distância, ou seja, se a distância duplica a força reduz quatro vezes.
Caso 4 – Módulo e direção da força
Obtemos os seguintes resultados:
	
	Q1 = 4 μC
	Q2 = 4 μC
	Força
	P1
	2cm
	10cm
	22.469
Podemos ver que se alteramos o valor de Q1 de -4 μC para 4 μC não há alteração no valor da força, pois o cálculo dela depende apenas no módulo das cargas. Mas quando falamos da direção da força, o valor das cargas influencia bastante, pois, cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.
Caso 5 – Aproximação entre as cargas
Obtemos os seguintes resultados:
	
	Q1 = 4 μC
	Q2 = 4 μC
	Força
	P1
	2cm
	3,4cm
	733.678
Podemos observar que a força eletroestática fica muito maior quando as partículas estão próximas uma da outra, assim como a força de repulsão nesse caso fica mais evidente.
Caso 6 – Gráfico Força x Distância 
Obtemos os seguintes resultados:
	Distância
	Força 
	2cm
	2246.888 N
	4cm
	561.722 N
	6cm
	249.654 N
	8cm
	140.430 N
	10cm
	89.876 N
Uma vez que a força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas, quando a distância entre as cargas é d, a força de interação entre elas é F. Dobrando-se a distância entre elas, a força diminui quatro vezes; triplicando-se a distância entre as cargas, a força entre elas será dividida por nove e assim por diante. [3] 
Cálculo de erros nos experimentos	
O erro percentual ou o erro percentual expressa como uma porcentagem a diferença entre um valor aproximado ou medido e um valor exato ou conhecido. É usado na ciência para relatar a diferença entre um valor medido ou experimental e um valor verdadeiro ou exato.
Todos os erros serão calculados a partir da seguinte fórmula: 
Erro percentual = [valor experimental - valor teórico] / valor teórico x 100%
*Os valores teóricos foram obtidos utilizando as equações da Lei de Coulomb, mostrada na introdução deste trabalho.
CASO 1 
	Valor Experimental
	Valor Teórico
	Erro (%)
	22.469
	22.475
	0,03%
CASO 2 
	Valor Experimental
	Valor Teórico
	Erro (%)
	89.876
	89.900
	0,03%
CASO 3 
	Valor Experimental
	Valor Teórico
	Erro (%)
	22.469
	22.475
	0,03%
CASO 5
	Valor Experimental
	Valor Teórico
	Erro (%)
	733.678
	733.878
	0,03%
CASO 6
	Valor Experimental
	Valor Teórico
	Erro (%)
	2.246.888
	2.247.500
	0,03%
	561.722
	561.875
	0,03%
	249.654
	249.722
	0,03%
	140.430
	140.469
	0,03%
	89.876
	89.900
	0,03%
Observamos que existe um erro de 0,03% entre os valores experimentais e valores teóricos que se repete em todos os casos. 
Conclusão
Apesar de ser simples, a Lei de Coulomb pode ser bastante explorada quando realizamos simulações práticas. Todos os conceitos como: atração e repulsão de cargas, a influência da distância e do módulo delas ficam bastante evidentes quando realizamos os experimentos. Assim, fica claro que a aprendizagem é mais efetiva quando juntamos a teoria com a prática.
Referências
[1]	WIKIPEDIA. Lei de Coulomb, 2021. Conteúdos escolares para alunos e professores. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Coulomb. Acesso em: 01/11/2021
[2] UOL. Brasil Escola, 2021. Lei de Coulomb. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-coulomb.htm. Acesso em: 01/11/2021
[3] UOL. Mundo Educação, 2021. Lei de Coulomb. Disponível em: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/a-lei-coulomb.htm. Acesso em: 01/11/2021
Força x Distância
Força	
2cm	4cm	6cm	8cm	10cm	224	6888	561722	249654	140430	89876	
4