FEIRA DE CIÊNCIAS


FORÇA DE COULOMB


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Liliane do Nascimento Pereira [libarbiegirl@hotmail.com]

Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul – UEMS

Última atualização: 14/11/2009


INTRODUÇÃO

Dando continuidade nas experiências sobre eletricidade, temos a próxima experiência denominada: Força de Coulomb.

Charles Augustin de Coulomb ( Angoulême, 14 de junho de 1736 – Paris, 23 de agosto de 1806) foi um físico francês.

Em sua homenagem, deu-se seu nome à unidade de carga elétrica, o coulomb.

Engenheiro de formação, ele foi principalmente físico. Publicou 7 tratados sobre a Eletricidade e o Magnetismo, e outros sobre os fenômenos de torção, o atrito entre sólidos, etc. Experimentador genial e rigoroso, realizou uma experiência histórica com uma balança de torção para determinar a força exercida entre duas cargas elétricas (Lei de Coulomb).

Durante os últimos quatro anos da sua vida, foi inspetor geral do Ensino Público e teve um papel importante no sistema educativo da época.

Coulomb nasceu em uma família muito rica. Seu pai se chamava Henri Coulomb e sua mãe, Catherine Bajet. Sua família tinha se mudado para Paris, e lá Coulomb estudou na prestigiada escola Collége des Quatre-Nations. Os cursos de matemática de lá, por Pierre Charles Monnier, motivaram Coulomb a seguir a carreira matemática. Após receber a educação básica em sua cidade natal, a família de Coulomb mudou-se para Paris e este continuou seus estudos no Colégio Mazarin, vindo a receber o melhor ensino em Matemática, Astronomia, Química e Botânica.

Passou nove anos (de 1764 a 1772) nas “Índias Ocidentais”, atual América, supervisionando os trabalhos de construção do “Fort Bourbon”, em Martinique (província francesa próxima da Venezuela), onde teve a oportunidade de realizar inúmeros experimentos sobre mecânica de estruturas, atrito em máquinas e elasticidade de materiais. Todavia, o extenso período na província abalou muito a sua saúde o que fez com que, em 1772, regressasse a Paris, onde passou a dedicar-se somente à experimentação científica e a escrever importantes trabalhos a respeito da mecânica aplicada.

Seu primeiro trabalho, “Sur une application des règles, de maximis et minimis à quelque problèmes de statique, relatifs à l’architecture”, contribuiu muito para a utilização de cálculos precisos na área de engenharia.

Em um de seus trabalhos mais famosos, Coulomb trata do equilíbrio de torção. Neste, ele mostra como a torção pode viabilizar medidas de forças muito pequenas com grande precisão e descreve um método que utiliza fibras de diversos materiais, que foi um aperfeiçoamento da balança de torção, utilizada por Cavendish para medir a atração gravitacional.

Em 1779, Coulomb foi enviado a Rochefort para colaborar com o Marquês de Montalembert na construção de uma fortaleza. Esse marquês, assim como Coulomb, possuía grande reputação entre os engenheiros militares. Durante esse período, Coulomb aproveitou para continuar seus estudos e conquistou o grande prêmio na Academia de Ciências em 1781 (já havia conquistado outro em 1777 graças a um trabalho sobre o magnetismo terrestre) devido à sua teoria do atrito nas máquinas simples. Nesse trabalho, Coulomb investigou o atrito estático e dinâmico entre superfícies e desenvolveu uma série de equações estabelecendo a relação entre a força de atrito e variáveis como o força normal, tempo, velocidade, etc. Além do prêmio, Coulomb assumiu um posto permanente na Academia de Ciências não assumindo mais nenhum projeto de engenharia (área onde passou a ser apenas consultor) dedicando-se exclusivamente à Física.

Utilizando a metodologia de medir forças através da torção, Coulomb estabeleceu a relação entre força elétrica, quantidade de carga e distância, enfatizando a semelhança desta com a teoria de Isaac Newton para a gravitação, que estabelece a relação entre a força gravitacional e a quantidade de massa e distância. Além disso, estudou as cargas elétricas pontuais e a distribuição de cargas em superfícies de corpos carregados. Em 1789 teve início a Revolução Francesa, ocasionando muitas modificações nas instituições às quais Coulomb estava ligado. A Academia de Ciências foi dissolvida, dando origem ao “Instituto da França”. Coulomb também se aposentou do Exército passando a realizar suas pesquisas em uma casa ele possuía perto de Blois. Em 1802 assumiu o posto de inspetor geral de Instrução Pública, cargo que ocupou até o final da sua vida. Coulomb morreu em Paris a 23 de agosto de 1806.


Figura 1: Charles Augustin de Coulomb.

A Lei de Coulomb foi descoberta por ele e, trata do princípio fundamental da eletricidade. Em particular, diz-nos 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.

Figura 2: Diagrama que descreve o mecanismo básico da lei de Coulomb. As cargas iguais se repelem e as cargas opostas se atraem.

Após detalhadas medidas Coulomb concluiu que esta força é completamente descrita pela seguinte expressão:

\vec{F} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1q_2}{r^2} \hat{r},

em que \vec{F} é a força, em Newton (N); \varepsilon_0\approx 8.854\times 10^{-12} é a constante elétrica, r é a distância entre as duas cargas pontuais, em metros (m) e q1 e q2, os respectivos valores das cargas, em Coulomb (C). \hat{r} é o versor que indica a direção em que aponta a força elétrica. Por vezes substitui-se o fator 1/(4\pi\varepsilon_0) por k, a constante de coulomb.

Alguns conceitos básicos se fazem importantes para esta introdução e também para se entender a experiência que será relatada abaixo:

Lei de Coulomb: A lei de Coulomb, assim designada em homenagem ao seu autor, o engenheiro e físico francês Charles Coulomb, permite calcular a força eletrostática entre duas cargas pontuais. Segundo esta lei, a força entre duas cargas pontuais tem a mesma direção da linha que une as cargas, sendo repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal e atrativa na situação inversa. Quanto à grandeza da força, esta é diretamente proporcional à grandeza das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Força: Em física clássica, a força (F) é aquilo que pode alterar (num mesmo referencial assumido inercial) o estado de repouso ou de movimento de um corpo, ou de deformá-lo. Esta definição não pode ser desvinculada da Terceira Lei de Newton (que "afirma" que a força é a expressão física para a interação entre dois entes físicos [ou entre duas partes de um mesmo ente], definindo então a direção, o sentido e a igualdade dos módulos das forças de um par ação-reação), e da Segunda Lei de Newton (que define o módulo da força baseando-se na definição de aceleração e do quilograma-padrão [massa]).

Carga Pontual: É uma carga na qual às suas dimensões podem ser desprezadas de acordo com as alterações que a mesma poderá ou, pode sofrer.

Força Elétrica: A interação eletrostática, ou força elétrica, é aquela que ocorre quando corpos possuidores de cargas elétricas interagem. Sabemos que os elétrons têm carga negativa e os prótons têm carga positiva. Desta forma, quando dois ou mais prótons, elétrons ou uma mistura destas partículas são colocadas próximas, sempre ocorre um processo de interação elétrica.

5° EXPERIÊNCIA: FORÇA DE COULOMB

Experiência realizada no dia 10 de Novembro de 2009 na Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, no Laboratório de Ensino de Física pelas acadêmicas: Liliane do Nascimento Pereira do terceiro ano noturno e Ana Paula Langaro do primeiro ano noturno, do curso de Licenciatura em Física com orientação do professor Nilson Oliveira da Silva. Todos os materiais utilizados na experiência são de fácil acesso e manuseio, para que qualquer pessoa consiga realizar o experimento.

MATERIAL UTILIZADO:



Figura 3: Material utilizado na experiência, dois canudos de plástico a linha de algodão e o papel higiênico.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

1° PASSO: Em cada extremidade da linha, amarre um canudo.


Figura 4: Linha de algodão amarrada na extremidade de cada canudo.

2° PASSO: Atrite somente metade dos canudos separadamente com um pedaço de papel higiênico. Suspenda-os e observe a distância entre os canudos (ângulo que farão entre si).



Figura 5: Processo de atrito da metade do canudo com o papel higiênico.


Figura 6: Processo de atrito da metade do outro canudo com o papel higiênico.




Figura 7: Foto tirada depois de atritarmos metade dos canudos.

3° PASSO: Agora atrite os canudos por inteiro. Em seguida, suspenda-os e observe a nova separação dos canudos.


Figura 8: Foto tirada depois de atritarmos os canudos por inteiro com o papel higiênico.

Qual explicação para este experimento?

Esta pergunta é fácil de ser respondida, pois o que este experimento quis mostrar que a força de repulsão depende da quantidade de cargas em excesso, pois os canudos que foram atritados pela metade, afastaram-se menos do que os atritados por inteiro porquê têm menos cargas em excesso.

OBSERVAÇÕES:

BIBLIOGRAFIA

Dicionário de Física: Conceito de Lei de Coulomb. Disponível em: http://www.knoow.net/cienciasexactas/fisica/coulombleide.htm

Acesso em : 11 de Novembro de 2009, às 16h32min.

Força Elétrica. Conceito de Força Elétrica. Disponível em: http://www.fisicadivertida.com.br/downloads/forcacampoepotencialeletrico.pdf

Acesso em: 11 de Novembro de 2009, às 17h37min.

NUNES, Luiz Antônio de Oliveira; ARANTES, Alessandra Riposati. Física em casa. São Carlos: USP/Instituto de Física, 2006.

WIKIPÉDIA, A enciclopédia livre. Charles Augustin de Coulomb. Esta página foi modificada pela última vez às 22h02min de 2 de novembro de 2009. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Augustin_de_Coulomb

Acesso em: 09 de Novembro de 2009, às 17h55min.

WIKIPÉDIA, A enciclopédia livre. Força. Esta página foi modificada pela última vez às 02h30min de 8 de novembro de 2009. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/força

Acesso em: 11 de Novembro de 2009, às 16h45min.

WIKIPÉDIA, A enciclopédia livre. Lei de Coulomb. Esta página foi modificada pela última vez às 08h46min de 14 de Setembro de 2009. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Coulomb

Acesso em: 09 de Novembro de 2009, às 17h43min.