Eletromagnetismo

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No estudo da Física, o eletromagnetismo (AO 1945: electromagnetismo) é o nome da teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.[1]

O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs.

A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão).[1] Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.

História[editar | editar código-fonte]

Desde a Grécia Antiga, fenômenos magnéticos e elétricos são conhecidos. Mas foi somente no início do século XVII que se começaram a realizar explicações científicas destes fenômenos.[2] Durante estes dois séculos, XVII e XVIII, célebres cientistas como William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta entre outros, dedicaram-se a investigar estes dois fenômenos separadamente e chegando a conclusões coerentes com seus experimentos.

No início do século XIX, Hans Christian Ørsted obteve evidência empírica da relação entre os fenômenos magnéticos e elétricos. A partir daí, os trabalhos de físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday foram unificados por James Clerk Maxwell em 1861 por equações que descreviam ambos os fenômenos como um só: o fenômeno eletromagnético.[2]

As chamadas equações de Maxwell demonstravam que os campos elétricos e magnéticos eram manifestações de um só campo eletromagnético. Além disso, descreviam a natureza ondulatória da luz, mostrando-a como uma onda eletromagnética.[3]

Com uma teoria única e consistente, que descrevia os dois fenômenos anteriormente julgados distintos, os físicos puderam realizar vários experimentos prodigiosos e inventos úteis, como a lâmpada elétrica (Thomas Alva Edison) ou o gerador de corrente alternada (Nikola Tesla).[4] O êxito preditivo da teoria de Maxwell e a busca de uma interpretação coerente das suas implicações foi o que levou Albert Einstein a formular sua teoria da relatividade que se apoiava em alguns resultados prévios de Hendrik Antoon Lorentz e Henri Poincaré.[1]

Na primeira metade do século XX, com o advento da mecânica quântica, o eletromagnetismo teve sua formulação refinada com o objetivo de adquirir coerência com a nova teoria. Isto se conseguiu na década de 1940 quando se completou a teoria quântica eletromagnética, mais conhecida como eletrodinâmica quântica.

Esta unificação foi uma das grandes descobertas da Física no século XIX. Essa descoberta posteriormente levou a um melhor entendimento da natureza da luz, ou seja, pôde-se entender que a luz é uma propagação de uma perturbação eletromagnética, ou melhor dizendo, a luz é uma onda eletromagnética.

A força eletromagnética[editar | editar código-fonte]

A força que um campo eletromagnético exerce sobre cargas elétricas, chamada força eletromagnética, é uma das quatro forças fundamentais. As outras são: a força nuclear forte (que mantém o núcleo atômico coeso), a força nuclear fraca (que causa certas formas de decaimento radioativo), e a força gravitacional.[1] Quaisquer outras forças provêm necessariamente dessas quatro forças fundamentais.

A força eletromagnética tem a ver com praticamente todos os fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade. Isso porque as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por prótons e elétrons, ou seja, por cargas elétricas. Do mesmo modo as forças eletromagnéticas interferem nas relações intermoleculares, ou seja, entre nós e quaisquer outros objetos. Assim podem-se incluir fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

Cabe ressaltar que, conforme a eletrodinâmica quântica, a força eletromagnética é resultado da interação de cargas elétricas com fótons.

O eletromagnetismo clássico[editar | editar código-fonte]

Eletroímã: um exemplo de aplicação da força eletromagnética.

O cientista William Gilbert propôs que a eletricidade e o magnetismo, apesar de ambos causarem efeitos de atração e repulsão, seriam efeitos distintos. Entretanto marinheiros percebiam que raios causavam perturbações nas agulhas das bússolas, mas a ligação entre os raios e a eletricidade ainda não estava traçada até os experimentos que Benjamin Franklin propôs em 1752. Um dos primeiros a descobrir e publicar as relações entre corrente elétrica e o magnetismo foi Romagnosi, que em 1802 afirmou que um fio conectado a uma pilha provocava um desvio na agulha de uma bússola que estivesse próxima. No entanto essa notícia não recebeu o crédito que lhe era devido até que, em 1820, Hans Christian Ørsted montou um experimento similar.

A teoria do eletromagnetismo foi desenvolvida por vários físicos durante o século XIX, culminando finalmente no trabalho de James Clerk Maxwell, o qual unificou as pesquisas anteriores em uma única teoria e descobriu a natureza eletromagnética da luz. No eletromagnetismo clássico, o campo eletromagnético obedece a uma série de equações conhecidas como equações de Maxwell, e a força eletromagnética pela Lei de Lorentz.

Uma das características do eletromagnetismo clássico é a dificuldade em associar com a mecânica clássica, compatível porém com a relatividade especial. Conforme as equações de Maxwell, a velocidade da luz é uma constante, depende apenas da permissividade elétrica e permeabilidade magnética do vácuo. Isso porém viola a invariância de Galileu, a qual já era há muito tempo base da mecânica clássica. Um caminho para reconciliar as duas teorias era assumir a existência de éter luminífero através do qual a luz propagaria. No entanto, os experimentos seguintes falharam em detectar a presença do éter. Em 1905, Albert Einstein resolveu o problema com a teoria da relatividade especial, a qual abandonava as antigas leis da cinemática para seguir as transformações de Lorentz as quais eram compatíveis com o eletromagnetismo clássico.

A teoria da relatividade mostrou também que adotando-se um referencial em movimento em relação a um campo magnético, tem-se então um campo elétrico gerado. Assim como também o contrário era válido, então de fato foi confirmado a relação entre eletricidade e magnetismo. Portanto o termo "eletromagnetismo" estava consolidado.

O efeito fotoelétrico[editar | editar código-fonte]

Em outra publicação sua no mesmo ano, Einstein pôs em dúvida vários princípios do eletromagnetismo clássico. Sua teoria do efeito fotoelétrico (pelo qual ganhou o Prêmio Nobel em Física) afirmava que a luz tinha em certo momento um comportamento corpuscular, isso porque a luz demonstrava carregar corpos com quantidades discretas de energia, esses corpos posteriormente passaram a ser chamados de fótons. Através de sua pesquisa, Max Planck mostrou que qualquer objeto emite radiação eletromagnética discretamente em pacotes, ideia que leva a teoria de Radiação de Corpo Negro. Todos esses resultados estavam em contradição com a teoria clássica da luz como uma mera onda contínua. As teorias de Planck e Einstein foram as causadoras da teoria da mecânica quântica, a qual, quando formulada em 1925, necessitava ainda de uma teoria quântica para o Eletromagnetismo.

Essa teoria só veio a aparecer em 1940, conhecida hoje como eletrodinâmica quântica; essa é uma das teorias mais precisas da Física nos dias de hoje.

Unidades[editar | editar código-fonte]

Sistema Internacional de Unidades para Eletromagnetismo
Símbolo Nome da grandeza Nome da unidade Unidade Unidades base
I Corrente elétrica ampère A A = W/V = C/s
q Carga elétrica coulomb C A·s
V Diferença de potencial ou Potencial elétrico volt V J/C = kg·m2·s−3·A−1
R, Z, X Resistência elétrica, Impedância, Reatância ohm Ω V/A = kg·m2·s−3·A−2
\rho Resistividade ohm metro Ω·m kg·m3·s−3·A−2
P Potência elétrica watt W V·A = kg·m2·s−3
C Capacitância farad F C/V = kg−1·m−2·A2·s4
\lambda lambda carga linear ou comprimento de onda
\epsilon Permissividade farad por metro F/m kg−1·m−3·A2·s4
\chi_e Susceptibilidade elétrica Adimensional - -
G, Y, B Condutância, Admitância, Susceptância siemens S Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
\sigma Condutividade siemens por metro S/m kg−1·m−3·s3·A2
\vec{B} Campo magnético,densidade de fluxo magnético, Indução magnética tesla T Wb/m2 = kg·s−2·A−1 = N·A−1·m−1
\Phi_m Fluxo magnético weber Wb V·s = kg·m2·s−2·A−1
\Phi_e Fluxo elétrico coulomb C
H Intensidade magnética ampère por metro A/m A·m−1
Relutância ampère por weber A/Wb kg−1·m−2·s2·A2
L Indutância henry H Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
\mu Permeabilidade henry por metro H/m kg·m·s−2·A−2
\chi_m Susceptibilidade magnética Adimensional
\chi_m Susceptibilidade magnética Adimensional
\tilde{H} função de transferência
\alpha coeficiente de temperatura
\boldsymbol{\varepsilon} \quad \boldsymbol{\varepsilon^{'}} força e contra força elemotriz
\varphi Fase Inicial
\omega velocidade angular ou frequência angular
Outras Unidades para o Eletromagnetismo
Símbolo Unidade Descrição
\Omega ohm (unidade SI de resistência)
\mathbb{A},\mathbb{B} Fasor
E_\text{máx} rigidez dielétrica
eV  Elétron eletrão-volt (unidade de energia)
F Farad (unidade SI de capacidade)
f Frequência
G Gauss (unidade de campo magnético) ou prefixo giga (10^{9})
h constante de Planck
K constante dielétrica
M indutância mútua
\vec{m} momento magnético
R função resposta de frequência
e carga elementar
t_C, t_L Constantes de Tempo
U_\mathrm{e} energia potencial eletrostática
U_\mathrm{g} energia potencial gravítica
\mathrm{T} período de uma onda harmónica ou temperatura
Z Impedância
k_\mathrm{m} constante magnética
\Delta aumento de uma grandeza física
\vec{E} campo elétrico
f_\text{máx} valor máximo da função sinusoidal
\mathrm{A, B}\ldots pontos no espaço, curvas, superfícies e sólidos
k constante de Coulomb
\vec{\tau} torque
Hz Hertz hertz (unidade SI de frequência)
\bar{f} valor médio da função f
\tilde{f} transformada de Laplace da função f
f', f''\ldots derivadas da função f de uma variável
\rho carga volúmica ou resistividade

Constantes e dados numéricos[editar | editar código-fonte]

Abaixo algumas constantes e outros dados usados no eletromagnetismo.[5]









Referências

  1. a b c d Marco Aurélio da Silva. Eletromagnetismo (em português). R7. Brasil Escola. Página visitada em 12 de dezembro de 2012.
  2. a b Rafael Lopez Valverde. Historia del Electromagnetismo (em espanhol). Página visitada em 13 de fevereiror de 2008.
  3. Clerk Maxwell, James (1873). A Treatise on Electricity and Magnetism (em inglês). Página visitada em 20 de novembro de 2007.
  4. Tesla, Nikola (1856–1943). Obras de Nikola Tesla (em inglês). Wikisource. Página visitada em 20 de novembro de 2007.
  5. [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 10 jun. 2013.

Ver também[editar | editar código-fonte]

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Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Outros projetos Wikimedia também contêm material sobre este tema:
Wikilivros Livros e manuais no Wikilivros
  1. Forças Magnéticas, materiais e indutância.
  2. Aplicações das equações de Maxwell para campos variáveis em relação ao tempo.
  3. Propagação e reflexão de ondas planas em meios isotópicos.
  4. Ondas planas e linhas de transmissão.