Teoria Eletromagnética

A Teoria Eletromagnética abrange os princípios básicos de eletromagnetismo: base experimental, eletrostática, campos magnéticos de correntes constantes, força electromotriz motional e indução eletromagnética, equações de Maxwell, propagação e radiação de ondas eletromagnéticas, propriedades elétricas e magnéticas da matéria e leis de conservação.

O que é a teoria eletromagnética?

A teoria da relatividade especial de Einstein descreve o magnetismo como subproduto da força elétrica. Portanto, essas duas forças podem ser consideradas facetas diferentes de uma força mais fundamental, que os físicos chamam de eletromagnetismo.

A teoria eletromagnética descreve uma coleção de afirmações científicas interconectadas usadas para responder a perguntas sobre essa força.

Os físicos usam os campos como abstrações para descrever como um sistema afeta seus arredores. O campo elétrico de um objeto carregado representa a força que ele exerceria sobre uma partícula carregada.

O campo é mais forte perto do objeto, porque a força eletrostática diminui à medida que a distância entre duas cargas aumenta.

Os campos magnéticos são definidos de maneira semelhante, exceto que descrevem a força exercida sobre uma partícula carregada em movimento.

As idéias mais básicas da teoria eletromagnética são “um campo elétrico variável gera um campo magnético” e “um campo magnético variável gera um campo elétrico”.

Esses princípios são quantificados pelas equações de Maxwell, com o nome de James Clerk Maxwell, físico e matemático escocês cujo trabalho no século XIX estabeleceu a disciplina revolucionando a maneira como os físicos conceberam a luz.

As equações de Maxwell também lançam relacionamentos previamente conhecidos – a lei de Coulomb e a lei de Biot-Savart – na linguagem dos campos.

Uma partícula carregada gera um campo magnético enquanto se move, mas o campo magnético é perpendicular ao movimento da partícula. Além disso, o efeito que esse campo magnético tem sobre uma segunda carga em movimento é perpendicular ao campo e ao movimento da segunda carga.

Esses dois fatos fazem com que até mesmo problemas básicos no eletromagnetismo exijam raciocínio tridimensional complexo. Historicamente, o desenvolvimento de vetores em matemática e ciências deve grande parte de seu progresso ao trabalho de físicos que tentam abstrair e simplificar o uso da teoria eletromagnética.

No século 19, a teoria eletromagnética mudou a maneira como os físicos entendiam a luz. Newton havia descrito a luz em termos de partículas chamadas corpúsculos, mas Maxwell afirmou que era a manifestação de campos elétricos e magnéticos que se empurravam através do espaço. De acordo com essa concepção, luz visível, raios-X, radar e muitos outros fenômenos são todos inerentemente semelhantes, cada um uma combinação de campos elétricos e magnéticos variando em uma frequência diferente.

Os cientistas chamam o continuum de todas essas ondas de espectro eletromagnético.

O sucesso da teoria eletromagnética levou ao colapso do resto da física newtoniana no século XX.

Einstein percebeu que a teoria de Maxwell exigia espaço e tempo para coordenadas interdependentes e diferentes de um espaço-tempo quadridimensional. Além disso, a teoria da relatividade de Einstein mostrou que o espaço era curvo e a passagem do tempo medida por um observador diferia da medida por outro.

Todas essas descobertas foram completamente incompatíveis com a teoria do movimento de Newton. Assim, o estudo do eletromagnetismo alterou, direta ou indiretamente, o modo como os físicos entendem eletricidade, magnetismo, luz, espaço, tempo e gravidade.

O que é força eletromagnética?

Na física, a força eletromagnética é uma influência que afeta partículas eletricamente carregadas. Juntamente com a gravidade, é a força que os humanos encontram mais diariamente, e explica a maioria dos fenômenos com os quais as pessoas estão familiarizadas. É responsável pela eletricidade, magnetismo e luz; mantém elétrons e prótons juntos em átomos; e permite que os átomos se unam para formar moléculas e gera reações químicas. Essa força também é responsável pela solidez dos objetos sólidos e é a razão pela qual eles não podem passar um pelo outro.

A força eletromagnética é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os outros três são a força gravitacional, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. A força nuclear forte é a mais forte delas, mas opera apenas em um alcance extremamente curto. A força eletromagnética é a segunda mais forte e, como a gravidade, opera em distâncias ilimitadas.

A lei do quadrado inverso

Como a gravidade, a força eletromagnética segue a lei do inverso do quadrado. Isso significa que a força da força é inversamente proporcional ao quadrado da distância de sua fonte. Assim, por exemplo, se alguém se afasta 5 unidades da fonte da força, a intensidade é reduzida para 1/25.

Cargas Positiva e negativas

Diferentemente da gravidade, a força eletromagnética é sentida apenas por objetos que possuem uma carga elétrica, que pode ser positiva ou negativa. Objetos com diferentes tipos de carga se atraem, mas aqueles com o mesmo tipo se repelem. Isso significa que a força pode ser atraente ou repulsiva, dependendo das acusações envolvidas. Como a maioria dos objetos, na maioria das vezes, não possui uma carga elétrica geral, eles não sentem a força eletromagnética, o que explica por que a gravidade, embora seja uma força muito mais fraca, domina em grandes escalas.

Quando dois materiais diferentes se esfregam, os elétrons podem se mover de um para o outro, deixando um com carga positiva e o outro com carga negativa.

Os dois se atrairão e poderão ser atraídos por objetos eletricamente neutros. Isso é conhecido como eletricidade estática e pode ser demonstrado por várias experiências simples, como esfregar um balão com um pedaço de pêlo e colá-lo na parede – ele é mantido por atração eletrostática.

Uma corrente elétrica flui quando os elétrons se movem ao longo de um fio ou outro condutor de uma região com excesso de elétrons para uma onde há um déficit. Diz-se que a corrente flui de negativa para positiva.

Em um circuito simples usando uma bateria, os elétrons fluem do terminal positivo para o negativo quando o circuito é concluído.

Na escala atômica, a atração entre prótons carregados positivamente no núcleo e elétrons carregados negativamente fora mantém os átomos juntos e permite que eles se liguem entre si para formar moléculas e compostos.

Os prótons no núcleo são mantidos no lugar pela força nuclear forte, que, nessa escala extremamente pequena, supera a força eletromagnética

Campos electromagnéticos

O conceito de campos eletromagnéticos foi desenvolvido pelo cientista Michael Faraday no início do século XIX. Ele mostrou que objetos eletricamente carregados e magnetizados podiam influenciar um ao outro à distância.

Por exemplo, uma corrente elétrica que flui através de uma bobina de fio pode desviar uma agulha da bússola e induzir uma corrente em outra bobina próxima.

Ele também mostrou que um campo magnético variável pode produzir uma corrente elétrica em um fio.

Isso estabeleceu uma conexão entre eletricidade e magnetismo e a existência de um campo que varia com a distância ao redor de objetos eletricamente carregados ou magnéticos.

Mais tarde, no século 19, o físico James Clerk Maxwell produziu uma série de equações que explicavam não apenas a relação entre eletricidade e magnetismo, mas também mostravam que a luz era uma perturbação do campo eletromagnético em forma de onda.

Ele chegou a essa conclusão quando calculou a velocidade com que as influências eletromagnéticas viajam e descobriu que essa era sempre a velocidade da luz.

A implicação era que a luz era uma forma de radiação eletromagnética que viajava como ondas. Isso levou à teoria da eletrodinâmica clássica, na qual uma onda eletromagnética é gerada por uma carga elétrica em movimento.

O movimento de uma bobina de fio em um campo magnético pode gerar ondas de rádio de baixa energia, enquanto o movimento mais energético de elétrons em um fio quente pode gerar luz visível.

Eletrodinâmica Quântica

Com a investigação de Einstein do efeito fotoelétrico, em que a luz pode desalojar elétrons de uma superfície de metal, veio a descoberta de que a radiação eletromagnética pode se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Essas partículas são chamadas fótons.

Os elétrons em um átomo podem ganhar energia absorvendo um fóton e perder energia emitindo um. Dessa maneira, a radiação eletromagnética pode ser explicado como a emissão de fótons quando os elétrons experimentam uma queda nos níveis de energia.

De acordo com a teoria quântica, todas as quatro forças da natureza podem ser explicadas em termos de troca de partículas, como fotos no caso da força eletromagnética.

Para explicar essa força de maneira consistente com a teoria quântica, foi desenvolvida a teoria da eletrodinâmica quântica. A ideia é que a força eletromagnética seja mediada por fótons “virtuais” que existem apenas fugazmente durante as interações entre partículas carregadas. Explica todas as interações eletromagnéticas e testes rigorosos provaram que é uma teoria muito precisa

O físico James Clerk Maxwell ficou conhecido por seu trabalho com eletromagnetismo

Fonte: ocw.mit.edu/arxiv.org/ecee.colorado.edu/www.mso.anu.edu.au/www.wisegeek.org/www.electrical4u.com/www.amherst.edu/www.bestdegreeprograms.org/www.clerkmaxwellfoundation.org