Eletromagnetismo - Electromagnetism

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 fraca e a gravitação . 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

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 eram mediadas por uma força. Existem quatro efeitos principais resultantes dessas interações, todos os quais foram claramente demonstrados por experimentos:

  1. Cargas eletricas atrair ourepelem- se com uma forçainversamente proporcionalao quadrado da distância entre eles: 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.

Em abril de 1820, Hans Christian Ørsted observou que uma corrente elétrica em um fio causou o movimento de uma agulha de bússola próxima. 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 disso, 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.

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 . 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 autopropagado e quantizados 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.

Uma conexão anterior (1735), muitas vezes negligenciada, entre eletricidade e magnetismo foi relatada por um Dr. Cookson. A conta declarou:

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 . "

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:

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

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 atuam entre as moléculas individuais em nossos corpos e as dos 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.

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 agulha de bússola próxima . No entanto, o efeito não se tornou amplamente conhecido até 1820, quando Ørsted realizou um experimento semelhante. 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. 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 .

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 luminífero através 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:

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.

Símbolo Nome da quantidade Nome da unidade Símbolo Unidades básicas
E energia joule J kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V
Q carga elétrica coulomb C A⋅s
eu corrente elétrica ampère UMA A (= W / V = ​​C / s)
J densidade de corrente elétrica ampere por metro quadrado A / m 2 A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; ε diferença potencial ; tensão ; força eletromotriz volt V J / C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; X resistência elétrica ; impedância ; reatância ohm Ω V / A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ resistividade ohm metro Ω⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P energia elétrica watt C V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
C capacitância farad F C / V = ​​kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E fluxo eletrico volts metros V⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E força do campo elétrico volt por metro V / m N / C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D campo de deslocamento elétrico coulomb por metro quadrado C / m 2 A⋅s⋅m −2
ε permissividade farad por metro F / m kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e susceptibilidade elétrica ( adimensional ) 1 1
G ; Y ; B condutância ; admissão ; suscetibilidade siemens S Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ condutividade siemens por metro S / m kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B densidade de fluxo magnético, indução magnética Tesla T Wb / m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ B fluxo magnético weber Wb V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H força do campo magnético ampere por metro Sou A⋅m -1
L , M indutância Henry H Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
µ permeabilidade Henry por metro H / m kg⋅m⋅s −2 ⋅A −2
χ susceptibilidade magnética ( adimensional ) 1 1

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 unidades, 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" é freqüentemente usada para se referir especificamente às unidades CGS-Gaussianas .

Veja também

Referências

Leitura adicional

Fontes da web

Livros didáticos

Referências gerais

links externos