Página semi-protegida

Eletromagnetismo

Da Wikipédia, a enciclopédia livre
Ir para a navegação Ir para a pesquisa

O eletromagnetismo é um ramo da física que envolve o estudo da força eletromagnética , um tipo de interação física que ocorre entre partículas eletricamente carregadas . A força eletromagnética é transportada por campos eletromagnéticos compostos de campos elétricos e campos magnéticos e é responsável pela radiação eletromagnética , como a luz . É uma das quatro interações fundamentais (comumente chamadas de forças) na natureza , junto com a interação forte , a interação fracae gravitação . [1] Em alta energia, a força fraca e a força eletromagnética são unificadas como uma única força eletrofraca .

O raio é uma descarga eletrostática que viaja entre duas regiões carregadas.

Os fenômenos eletromagnéticos são definidos em termos da força eletromagnética, às vezes chamada de força de Lorentz , que inclui a eletricidade e o magnetismo como diferentes manifestações do mesmo fenômeno. A força eletromagnética desempenha um papel importante na determinação das propriedades internas da maioria dos objetos encontrados na vida diária. A atração eletromagnética entre os núcleos atômicos e seus elétrons orbitais mantém os átomos unidos. As forças eletromagnéticas são responsáveis ​​pelas ligações químicas entre os átomos que criam moléculas e as forças intermoleculares. A força eletromagnética governa todos os processos químicos, que surgem das interações entre os elétrons de átomos vizinhos. O eletromagnetismo é amplamente utilizado na tecnologia moderna, e a teoria eletromagnética é a base da engenharia de energia elétrica e eletrônica, incluindo a tecnologia digital.

Existem inúmeras descrições matemáticas do campo eletromagnético . Mais proeminentemente, as equações de Maxwell descrevem como os campos elétricos e magnéticos são gerados e alterados uns pelos outros e por cargas e correntes.

As implicações teóricas do eletromagnetismo, particularmente o estabelecimento da velocidade da luz com base nas propriedades do "meio" de propagação ( permeabilidade e permissividade ), levaram ao desenvolvimento da relatividade especial por Albert Einstein em 1905.

História da teoria

Hans Christian Ørsted

Originalmente, eletricidade e magnetismo eram considerados duas forças separadas. Essa visão mudou com a publicação de James Clerk Maxwell 's A Treatise on Electricity and Magnetism, de 1873, no qual as interações de cargas positivas e negativas mostraram ser mediadas por uma força. Existem quatro efeitos principais resultantes dessas interações, todos os quais foram claramente demonstrados por experimentos:

  1. As cargas elétricas se atraem ou se repelem com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas: ao contrário das cargas que se atraem, como as que se repelem.
  2. Os pólos magnéticos (ou estados de polarização em pontos individuais) se atraem ou se repelem de maneira semelhante às cargas positivas e negativas e sempre existem como pares: todo pólo norte está ligado a um pólo sul.
  3. Uma corrente elétrica dentro de um fio cria um campo magnético circunferencial correspondente fora do fio. Sua direção (horário ou anti-horário) depende da direção da corrente no fio.
  4. Uma corrente é induzida em uma alça de fio quando ela é movida para perto ou para longe de um campo magnético, ou um ímã é movido para perto ou para longe dele; a direção da corrente depende da direção do movimento.
André-Marie Ampère

Enquanto se preparava para uma palestra noturna em 21 de abril de 1820, Hans Christian Ørsted fez uma observação surpreendente. Enquanto estava preparando seus materiais, ele notou uma agulha de bússola desviada do norte magnético quando a corrente elétrica da bateria que ele estava usando foi ligada e desligada. Essa deflexão o convenceu de que os campos magnéticos irradiam de todos os lados de um fio transportando corrente elétrica, assim como a luz e o calor, e que confirmou uma relação direta entre eletricidade e magnetismo.

No momento da descoberta, Ørsted não sugeriu nenhuma explicação satisfatória para o fenômeno, nem tentou representar o fenômeno em uma estrutura matemática. No entanto, três meses depois, ele iniciou investigações mais intensivas. Logo depois, ele publicou suas descobertas, provando que uma corrente elétrica produz um campo magnético à medida que flui através de um fio. A unidade CGS de indução magnética ( oersted ) é nomeada em homenagem a suas contribuições para o campo do eletromagnetismo.

James Clerk Maxwell

Suas descobertas resultaram em pesquisas intensivas em toda a comunidade científica em eletrodinâmica . Eles influenciaram o desenvolvimento do físico francês André-Marie Ampère de uma única forma matemática para representar as forças magnéticas entre os condutores portadores de corrente. A descoberta de Ørsted também representou um grande passo em direção a um conceito unificado de energia.

Essa unificação, observada por Michael Faraday , estendida por James Clerk Maxwell e parcialmente reformulada por Oliver Heaviside e Heinrich Hertz , é uma das principais realizações da física matemática do século XIX . [2] Isso teve consequências de longo alcance, uma das quais foi a compreensão da natureza da luz . Ao contrário do que era proposto pela teoria eletromagnética da época, a luz e outras ondas eletromagnéticas são atualmente vistas como tendo a forma de distúrbios de campo eletromagnético oscilatório autopropagante e quantizado chamados fótons.. Diferentes frequências de oscilação dão origem às diferentes formas de radiação eletromagnética , desde ondas de rádio nas frequências mais baixas, à luz visível nas frequências intermediárias e aos raios gama nas frequências mais altas.

Ørsted não foi a única pessoa a examinar a relação entre eletricidade e magnetismo. Em 1802, Gian Domenico Romagnosi , um estudioso jurídico italiano, desviou uma agulha magnética usando uma pilha voltaica. A configuração factual do experimento não está completamente clara, portanto, se a corrente fluiu pela agulha ou não. Um relato da descoberta foi publicado em 1802 em um jornal italiano, mas foi amplamente esquecido pela comunidade científica contemporânea, porque Romagnosi aparentemente não pertencia a esta comunidade. [3]

Uma conexão anterior (1735), muitas vezes negligenciada, entre eletricidade e magnetismo foi relatada por um Dr. Cookson. [4] O relato afirmava:

Um comerciante em Wakefield em Yorkshire, tendo colocado um grande número de facas e garfos em uma grande caixa ... e tendo colocado a caixa no canto de uma grande sala, aconteceu uma tempestade repentina de trovões, relâmpagos etc. ... O dono esvaziando a caixa sobre um balcão onde estavam alguns pregos, as pessoas que pegaram as facas, que colocaram nos pregos, observaram que as facas pegaram os pregos. Nisto, todo o número foi tentado, e descobriu-se que fazia o mesmo, e que, a tal ponto que pegava pregos grandes, agulhas de embalagem e outras coisas de ferro de peso considerável ...

ET Whittaker sugeriu em 1910 que este evento em particular foi responsável pelo relâmpago a ser "creditado com o poder de magnetizar aço; e foi sem dúvida isso que levou Franklin em 1751 a tentar magnetizar uma agulha de costura por meio da descarga de jarros de Leyden . " [5]

Forças fundamentais

Representação do vetor de campo elétrico de uma onda de radiação eletromagnética circularmente polarizada.

A força eletromagnética é uma das quatro forças fundamentais conhecidas . As outras forças fundamentais são:

  • a força nuclear forte , que liga os quarks para formar núcleos e liga os núcleos para formar os núcleos .
  • a força nuclear fraca , que se liga a todas as partículas conhecidas no Modelo Padrão e causa certas formas de decaimento radioativo . (Na física de partículas , porém, a interação eletrofraca é a descrição unificada de duas das quatro interações fundamentais conhecidas da natureza: eletromagnetismo e a interação fraca);
  • a força gravitacional .

Todas as outras forças (por exemplo, fricção , forças de contato) são derivadas dessas quatro forças fundamentais e são conhecidas como forças não fundamentais . [6]

A força eletromagnética é responsável por praticamente todos os fenômenos que encontramos na vida diária acima da escala nuclear, com exceção da gravidade. Grosso modo, todas as forças envolvidas nas interações entre os átomos podem ser explicadas pela força eletromagnética agindo entre os núcleos atômicos eletricamente carregados e os elétrons dos átomos. As forças eletromagnéticas também explicam como essas partículas carregam o momento por seu movimento. Isso inclui as forças que experimentamos ao "empurrar" ou "puxar" objetos materiais comuns, que resultam das forças intermoleculares que agem entre as moléculas individuaisem nossos corpos e nos objetos. A força eletromagnética também está envolvida em todas as formas de fenômenos químicos .

Uma parte necessária para compreender as forças intra-atômicas e intermoleculares é a força efetiva gerada pelo momento do movimento dos elétrons, de modo que, à medida que os elétrons se movem entre átomos em interação, eles carregam o momento com eles. À medida que uma coleção de elétrons se torna mais confinada, seu momentum mínimo necessariamente aumenta devido ao princípio de exclusão de Pauli . O comportamento da matéria na escala molecular, incluindo sua densidade, é determinado pelo equilíbrio entre a força eletromagnética e a força gerada pela troca de momento transportada pelos próprios elétrons. [7]

Eletrodinâmica clássica

Em 1600, William Gilbert propôs, em seu De Magnete , que a eletricidade e o magnetismo, embora ambos capazes de causar atração e repulsão de objetos, eram efeitos distintos. Os marinheiros notaram que os relâmpagos têm a capacidade de perturbar a agulha de uma bússola. A ligação entre o raio e a eletricidade não foi confirmada até os experimentos propostos por Benjamin Franklin em 1752. Um dos primeiros a descobrir e publicar uma ligação entre a corrente elétrica produzida pelo homem e o magnetismo foi Gian Romagnosi , que em 1802 percebeu que conectar um fio através uma pilha voltaica desviou uma bússola próximaagulha. No entanto, o efeito não se tornou amplamente conhecido até 1820, quando Ørsted realizou um experimento semelhante. [8] O trabalho de Ørsted influenciou Ampère a produzir uma teoria do eletromagnetismo que colocou o assunto em uma base matemática.

Uma teoria do eletromagnetismo, conhecida como eletromagnetismo clássico , foi desenvolvida por vários físicos durante o período entre 1820 e 1873, quando culminou com a publicação de um tratado de James Clerk Maxwell , que unificou os desenvolvimentos anteriores em uma única teoria e descobriu a natureza eletromagnética de luz. [9] No eletromagnetismo clássico, o comportamento do campo eletromagnético é descrito por um conjunto de equações conhecidas como equações de Maxwell , e a força eletromagnética é dada pela lei de força de Lorentz . [10]

Uma das peculiaridades do eletromagnetismo clássico é que ele é difícil de conciliar com a mecânica clássica , mas é compatível com a relatividade especial. De acordo com as equações de Maxwell, a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal que depende apenas da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética do espaço livre . Isso viola a invariância galileana , uma pedra angular de longa data da mecânica clássica. Uma forma de reconciliar as duas teorias (eletromagnetismo e mecânica clássica) é assumir a existência de um éter luminíferoatravés do qual a luz se propaga. No entanto, os esforços experimentais subsequentes falharam em detectar a presença do éter. Após importantes contribuições de Hendrik Lorentz e Henri Poincaré , em 1905, Albert Einstein resolveu o problema com a introdução da relatividade especial, que substituiu a cinemática clássica por uma nova teoria da cinemática compatível com o eletromagnetismo clássico. (Para obter mais informações, consulte História da relatividade especial .)

Além disso, a teoria da relatividade implica que em quadros de referência em movimento, um campo magnético se transforma em um campo com um componente elétrico diferente de zero e, inversamente, um campo elétrico em movimento se transforma em um componente magnético diferente de zero, mostrando assim firmemente que os fenômenos são dois lados do mesma moeda. Daí o termo "eletromagnetismo". (Para obter mais informações, consulte Eletromagnetismo clássico e relatividade especial e Formulação covariante do eletromagnetismo clássico .)

Extensão para fenômenos não lineares

A reconexão magnética no plasma solar dá origem a erupções solares , um fenômeno magnetohidrodinâmico complexo.

As equações de Maxwell são lineares, em que uma mudança nas fontes (as cargas e correntes) resulta em uma mudança proporcional dos campos. A dinâmica não linear pode ocorrer quando os campos eletromagnéticos se acoplam à matéria que segue as leis dinâmicas não lineares. Isso é estudado, por exemplo, na disciplina de magneto-hidrodinâmica , que combina a teoria de Maxwell com as equações de Navier-Stokes .

Quantidades e unidades

As unidades eletromagnéticas são parte de um sistema de unidades elétricas baseado principalmente nas propriedades magnéticas das correntes elétricas, sendo a unidade SI fundamental o ampere. As unidades são:

  • ampere (corrente elétrica)
  • coulomb (carga elétrica)
  • farad (capacitância)
  • Henry (indutância)
  • ohm (resistência)
  • siemens (condutância)
  • tesla (densidade de fluxo magnético)
  • volt (potencial elétrico)
  • watt (potência)
  • weber (fluxo magnético)

No sistema cgs eletromagnético , a corrente elétrica é uma grandeza fundamental definida pela lei de Ampère e assume a permeabilidade como uma grandeza adimensional (permeabilidade relativa) cujo valor no vácuo é a unidade . Como consequência, o quadrado da velocidade da luz aparece explicitamente em algumas das equações que relacionam as quantidades neste sistema.

SI eletromagnetismo unidades
Símbolo [11]Nome da quantidadeNome da unidadeSímboloUnidades básicas
Qcarga elétricacoulombCA⋅s
eucorrente elétricaampèreUMAA (= W / V = ​​C / s)
Jdensidade de corrente elétricaampere por metro quadradoA / m 2A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; εdiferença potencial ; tensão ; força eletromotrizvoltVJ / C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; Xresistência elétrica ; impedância ; reatânciaohmΩV / A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρresistividadeohm metroΩ⋅mkg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
Penergia elétricawattCV⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
CcapacitânciafaradFC / V = ​​kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ Efluxo eletricovolts metrosV⋅mkg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
Eforça do campo elétricovolt por metroV / mN / C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
Dcampo de deslocamento elétricocoulomb por metro quadradoC / m 2A⋅s⋅m −2
εpermissividadefarad por metroF / mkg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ esusceptibilidade elétrica( adimensional )11
G ; Y ; Bcondutância ; admissão ; suscetibilidadesiemensSΩ −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σcondutividadesiemens por metroS / mkg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
Bdensidade de fluxo magnético, indução magnéticaTeslaTWb / m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ Bfluxo magnético weberWbV⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
Hforça do campo magnéticoampere por metroSouA⋅m -1
L , MindutânciaHenryHWb / A = V⋅s / A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
µpermeabilidadeHenry por metroH / mkg⋅m⋅s −2 ⋅A −2
χsusceptibilidade magnética( adimensional )11

As fórmulas para as leis físicas do eletromagnetismo (como as equações de Maxwell ) precisam ser ajustadas dependendo do sistema de unidades usado. Isso ocorre porque não há correspondência um a um entre as unidades eletromagnéticas no SI e aquelas no CGS, como é o caso das unidades mecânicas. Além disso, dentro do CGS, existem várias escolhas plausíveis de unidades eletromagnéticas, levando a diferentes "subsistemas" de unidade, incluindo Gaussian , "ESU", "EMU" e Heaviside-Lorentz . Entre essas opções, as unidades Gaussianas são as mais comuns hoje em dia e, de fato, a frase "unidades CGS" costuma ser usada para se referir especificamente às unidades CGS-Gaussianas .

Veja também

  • Força Abraham-Lorentz
  • Levantamentos aeromagnéticos
  • Eletromagnética computacional
  • Experiência de dupla fenda
  • Eletroímã
  • Indução eletromagnética
  • Equação de onda eletromagnética
  • Espalhamento eletromagnético
  • Eletromecânica
  • Geofísica
  • Introdução ao eletromagnetismo
  • Magnetostática
  • Campo magnetoquasistático
  • Óptica
  • Eletromagnetismo relativístico
  • Teoria do absorvedor de Wheeler-Feynman

Referências

  1. ^ Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentos de eletromagnética aplicada (6ª ed.). Boston: Prentice Hall. p. 13 . ISBN 978-0-13-213931-1.
  2. ^ Darrigol, Olivier (2000). Eletrodinâmica de Ampère a Einstein . Nova York: Oxford University Press. ISBN 0198505949.
  3. ^ Martins, Roberto de Andrade. "Pilha de Romagnosi e Volta: as primeiras dificuldades na interpretação da eletricidade voltaica" (PDF) . Em Fabio Bevilacqua; Lucio Fregonese (eds.). Nuova Voltiana: Estudos sobre Volta e seus tempos . 3 . Università degli Studi di Pavia. pp. 81–102. Arquivado do original (PDF) em 30/05/2013 . Página visitada em 2010-12-02 .
  4. ^ VIII. Um relato de um efeito extraordinário do raio na comunicação do magnetismo. Comunicado por Pierce Dod, MDFRS do Dr. Cookson de Wakefield em Yorkshire. Phil. Trans. 1735 39, 74-75, publicado em 1º de janeiro de 1735
  5. ^ Whittaker, ET (1910). Uma história das teorias do éter e da eletricidade desde a época de Descartes até o final do século XIX . Longmans, Green and Company.
  6. ^ Browne, "Physics for Engineering and Science", p. 160: "A gravidade é uma das forças fundamentais da natureza. As outras forças, como fricção, tensão e a força normal são derivadas da força elétrica, outra das forças fundamentais. A gravidade é uma força bastante fraca ... A elétrica força entre dois prótons é muito mais forte do que a força gravitacional entre eles. "
  7. ^ Purcell, "Electricity and Magnetism, 3rd Edition," p. 546: Capítulo 11, Seção 6, "Spin do elétron e momento magnético".
  8. ^ Stern, Dr. David P .; Peredo, Mauricio (25/11/2001). “Campos Magnéticos - História” . Centro de vôo espacial Goddard da NASA . Página visitada em 27/11/2009 .
  9. ^ Purcell, p. 436. Capítulo 9.3, "A descrição de Maxwell do campo eletromagnético estava essencialmente completa."
  10. ^ Purcell: pág. 278: Capítulo 6.1, "Definição do campo magnético." Força de Lorentz e equação de força.
  11. ^ União internacional da química pura e aplicada (1993). Quantidades, unidades e símbolos em química física , 2ª edição, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . pp. 14–15. Versão eletrónica. 

Leitura adicional

Fontes da web

  • Nave, R. "Eletricidade e magnetismo" . HyperPhysics . Georgia State University . Página visitada em 2013-11-12 .
  • Khutoryansky, E. "Electromagnetism - Maxwell's Laws" . Página visitada em 2014-12-28 .

Livros didáticos

  • GAG Bennet (1974). Eletricidade e Física Moderna (2ª ed.). Edward Arnold (Reino Unido). ISBN 978-0-7131-2459-0.
  • Browne, Michael (2008). Física para Engenharia e Ciência (2ª ed.). McGraw-Hill / Schaum. ISBN 978-0-07-161399-6.
  • Dibner, Berna (2012). Oersted e a descoberta do eletromagnetismo . Licenciamento Literário, LLC. ISBN 978-1-258-33555-7.
  • Durney, Carl H .; Johnson, Curtis C. (1969). Introdução ao eletromagnético moderno . McGraw-Hil]. ISBN 978-0-07-018388-9.
  • Feynman, Richard P. (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol II . Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8.
  • Fleisch, Daniel (2008). Guia do aluno para as equações de Maxwell . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1.
  • IS Grant; WR Phillips; Manchester Physics (2008). Electromagnetism (2ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9.
  • Griffiths, David J. (1998). Introdução à Eletrodinâmica (3ª ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0.
  • Jackson, John D. (1998). Eletrodinâmica Clássica (3ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • Moliton, André (2007). Eletromagnetismo e materiais básicos . 430 páginas . Cidade de Nova York: Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-30284-3.
  • Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism Berkeley, Physics Course Volume 2 (2ª ed.) . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004908-6.
  • Purcell, Edward M e Morin, David. (2013). Electricity and Magnetism, 820p (3ª ed.). Cambridge University Press, Nova York. ISBN 978-1-107-01402-2.CS1 maint: vários nomes: lista de autores ( link )
  • Rao, Nannapaneni N. (1994). Elementos de eletromagnética de engenharia (4ª ed.) . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-948746-0.
  • Rothwell, Edward J .; Cloud, Michael J. (2001). Eletromagnetismo . CRC Press. ISBN 978-0-8493-1397-4.
  • Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Luz, Eletricidade e Magnetismo (4ª ed.). WH Freeman. ISBN 978-1-57259-492-0.
  • Wangsness, Roald K .; Cloud, Michael J. (1986). Electromagnetic Fields (2ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-471-81186-2.

Referências gerais

  • A. Beiser (1987). Conceitos de Física Moderna (4ª ed.). McGraw-Hill (Internacional). ISBN 978-0-07-100144-1.
  • LH Greenberg (1978). Física com Aplicações Modernas . Holt-Saunders International WB Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5.
  • RG Lerner; GL Trigg (2005). Encyclopaedia of Physics (2ª ed.). Editores VHC, Hans Warlimont, Springer. pp. 12–13. ISBN 978-0-07-025734-4.
  • JB Marion; WF Hornyak (1984). Princípios de Física . Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2.
  • HJ Pain (1983). The Physics of Vibrations and Waves (3ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-90182-2.
  • CB Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2ª ed.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-051400-3.
  • R. Penrose (2007). A estrada para a realidade . Livros antigos. ISBN 978-0-679-77631-4.
  • PA Tipler; G. Mosca (2008). Physics for Scientists and Engineers: With Modern Physics (6ª ed.). WH Freeman and Co. ISBN 978-1-4292-0265-7.
  • PM Whelan; MJ Hodgeson (1978). Essential Principles of Physics (2ª ed.). John Murray. ISBN 978-0-7195-3382-2.

links externos

  • Conversor de força de campo magnético
  • Força Eletromagnética - do Mundo da Física de Eric Weisstein
  • A deflexão de uma agulha de bússola magnética por uma corrente em um fio (vídeo) no YouTube