Documentação do Simulador

Como usar o simulador

Este ambiente virtual simula o comportamento de cargas elétricas em um campo eletrostático. Veja como interagir com a ferramenta:

Adicionar Cargas: Utilize os botões no painel de controle para instanciar cargas positivas em vermelho, e cargas negativas em azul no vácuo da área de simulação.
Manipulação (Drag & Drop): Clique e segure em qualquer partícula para arrastá-la pelo espaço. Os cálculos vetoriais e escalares são atualizados a cada frame da simulação.
Menu da Carga: Clique com o botão direito em qualquer carga para abrir o menu de propriedades e configurações, podendo modificar mover e remover a partícula.
Mapa de Calor (Potencial Elétrico - $V$): O fundo da tela representa a topografia da energia. Cores quentes (vermelho) indicam áreas de alto potencial positivo. Cores frias (azul) indicam vales de potencial negativo. Áreas escuras indicam potencial nulo ($V = 0$).
Grade Vetorial (Campo Elétrico - $\vec{E}$): As setas brancas mostram a direção e o sentido da força que uma carga de prova positiva sofreria naquele ponto. A intensidade é representada pela opacidade das setas.
Multímetro (Ponta de Prova): Transforme seu mouse em um sensor. Ele revelará os valores exatos do Potencial (em Volts) e da magnitude do Campo Elétrico (em V/m), assim como as coordenadas do ponto onde o sensor está localizado.

Fundamentos Físicos

A engine do simulador baseia-se no Princípio da Superposição. Para cada pixel na tela, o sistema realiza o somatório das contribuições individuais de cada partícula presente usando as seguintes leis:

Potencial Elétrico (Escalar): Calculado pela soma algébrica:

$$V = k \sum_{i=1}^{n} \frac{q_i}{r_i}$$

Onde:

$V$: Potencial elétrico total no ponto $Volts$.
$k$ é a constante eletrostática do meio (no vácuo, $k_0 \approx 9 \times 10^9 \, N·m²/C²$)
$q_i$ Valor da i-ésima carga (incluindo o sinal positivo ou negativo, pois o potencial é uma grandeza escalar) $em Coulombs$ $C$\.
$r_i$ Distância entre a i-ésima carga e o ponto onde o potencial está sendo calculado (em metros) $m$\.

Por ser uma grandeza escalar, potenciais gerados por cargas de sinais opostos podem se anular perfeitamente em pontos do espaço.

Campo Elétrico (Vetor): A magnitude é ditada pela equação:

$$\vec{E}_{total} = \sum_{i=1}^{n} \vec{E}_i = \sum_{i=1}^{n} \left( k \frac{q_i}{r_i^2} \hat{r}_i \right)$$

Onde:

$\vec{E}_{total}$: Campo elétrico total no ponto $V/m$.
$\vec{E}_i$: Campo elétrico gerado pela i-ésima carga $V/m$.
$k$ é a constante eletrostática do meio (no vácuo, $k_0 \approx 9 \times 10^9 \, N·m²/C²$)
$q_i$ Valor da i-ésima carga (incluindo o sinal positivo ou negativo) $em Coulombs$ $C$\.
$r_i$ Distância entre a i-ésima carga e o ponto onde o campo está sendo calculado (em metros) $m$\.
$\hat{r}_i$ Vetor unitário apontando da i-ésima carga para o ponto onde o campo está sendo calculado.

O sistema decompõe os vetores em coordenadas $X$ e $Y$ para realizar a soma vetorial antes de traçar as linhas de campo. A unidade adotada para leitura é o V/m (Volts por metro), equivalente a N/C.

Tabela de Constantes Dielétricas

No vácuo, usamos $k_0 = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}$. Em um material, a força cai proporcionalmente à permissividade relativa ($\varepsilon_r$, ou $\kappa$).

A permissividade relativa ($\kappa$) é uma medida da capacidade de um material de armazenar energia elétrica em um campo elétrico.

Quanto maior o valor de $\kappa$, mais o campo é atenuado dentro do material. Por exemplo, a água pura tem uma $\kappa$ muito alta, o que significa que um campo elétrico aplicado através dela seria significativamente reduzido em comparação com o vácuo.

Material (Meio)	$\kappa$ (a 20°C)	Impacto no Campo ($\vec{E}$)
Vácuo (Referência)	1.0	Força máxima (100%)
Óleo	2.2	Campo reduzido a 45.5%
Borracha	3.0	Campo reduzido a 33.3%
Papel	3.5	Campo reduzido a 28.6%
Vidro	6.0	Campo reduzido a 16.7%
Silício (Semicondutor)	11.68	Campo reduzido a 8.5%
Etanol	24.0	Campo reduzido a 4.2%
Água Pura	80.1	Atenuado fortemente (1.2%)

Referências e Materiais de Estudo

Livro-texto Oficial: Fundamentos de Física, Vol. 3 (Eletromagnetismo) - David Halliday, Robert Resnick & Jearl Walker. Capítulos 21, 22 e 24. Disponível em: Engenharia Elétrica - UFPR
Videoaulas (YouTube):
- Campo e potencial elétrico - Entendendo o significado! - Professor Douglas Gomes: Explicação e exemplos de campo elétrico e potencial elétrico.
- Em Física, o que é campo? Não é uma região do espaço! - Professor Douglas Gomes: Explicação conceitual sobre campo em física.
- UNIVESP - Física Geral III: Curso universitário completo.
- Física - Eletrostática - Me Salva!: Abordagem visual focada.

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