Eletromagnetismo

As interações eletromagnéticas são responsáveis pelos filamentos brilhantes nesteglobo de plasma

Artigos sobre
Eletromagnetismo
Electricidade Magnetismo História[en] Livros didáticos[en]
Eletrostática Carga elétrica Lei de Coulomb Condutor Densidade de carga Permissividade Momento do dipolo elétrico Campo elétrico Potencial elétrico Fluxo elétrico/energia potencial Descarga electrostática Lei de Gauss Indução Isolante Densidade de polarização Eletricidade estática Triboeletricidade[en]
Magnetostática Lei de Ampère Lei de Biot – Savart Lei de Gauss para o magnetismo Campo magnético Fluxo magnético Momento do dipolo magnético Permeabilidade magnética Potencial escalar magnético Magnetização[en] Força magnetomotriz Vetor potencial magnético Regra da mão direita[en]
Eletrodinâmica Lei da força de Lorentz Indução eletromagnética Lei de Faraday Lei de Lenz Corrente de deslocamento Equações de Maxwell Campo eletromagnético Pulso eletromagnético Radiação eletromagnética Tensor de Maxwell Vetor de Poynting Potentiais de Liénard – Wiechert Equações de Jefimenko Corrente de Foucault Equações de London[en] Descrições matemáticas do campo eletromagnético[en]
Circuito elétrico Corrente alternada Capacitância Corrente contínua Corrente elétrica Eletrólise Densidade de corrente elétrica Lei de Joule Força eletromotriz Impedância Indutância Lei de Ohm Circuito paralelo Resistência[en] Cavidades ressonantes[en] Circuito em série Tensão elétrica Guias de onda
Formulação covariante[en] Tensor eletromagnético (Tensor de tensão–energia) Quadricorrente Quadripotencial eletromagnético
Cientistas Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Hopkinson Jefimenko[en] Joule Lenz Liénard Lorentz Maxwell Neumann Ørsted Ohm Poynting Ritchie[en] Savart Singer[en] Steinmetz Tesla Thomson Volta Weber Wiechert Poisson

Eletromagnetismo,na física, é umainteraçãoque ocorre entrepartículascomcarga elétricapor meio decampos eletromagnéticos.Aforça eletromagnéticaé uma das quatroforças fundamentaisda natureza. É a força dominante nas interações deátomosemoléculas.O eletromagnetismo pode ser pensado como uma combinação deeletrostáticaemagnetismo,dois fenômenos distintos, mas intimamente interligados. As forças eletromagnéticas ocorrem entre quaisquer duas partículas carregadas, causando uma atração entre partículas com cargas opostas e repulsão entre partículas com a mesma carga, enquanto o magnetismo é uma interação que ocorre exclusivamente entre partículas carregadas em movimento relativo. Esses dois efeitos se combinam para criar campos eletromagnéticos nas proximidades de partículas carregadas, que podem acelerar outras partículas carregadas por meio daforça de Lorentz.Em alta energia, a força fraca e a força eletromagnética são unificadas como uma únicaforça eletrofraca.

A força eletromagnética é responsável por muitos dos fenômenosquímicose físicos observados na vida cotidiana. A atração eletrostática entre osnúcleos atômicose seuselétronsmantém os átomos juntos. As forças elétricas também permitem que diferentes átomos se combinem em moléculas, incluindo asmacromoléculas,como asproteínasque formam a base davida.Enquanto isso, as interações magnéticas entre os momentos magnéticos despin[en]emomento angulardos elétrons também desempenham um papel na reatividade química; tais relações são estudadas naquímica despin[en].O eletromagnetismo também desempenha um papel crucial natecnologiamoderna: produção, transformação e distribuição de energia elétrica; produção e detecção de luz, calor e som; fibra ótica e comunicação sem fio, sensores; computação; eletrólise; galvanoplastia; e motores e atuadores mecânicos.

O eletromagnetismo tem sido estudado desde os tempos antigos. Muitas civilizações antigas, incluindo osgregose osmaias,criaram teorias abrangentes para explicarraios,eletricidade estáticae a atração entre pedaços magnetizados deminério de ferro.No entanto, não foi até o final do século XVIII que os cientistas começaram a desenvolver uma base matemática para entender a natureza das interações eletromagnéticas. Nos séculos XVIII e XIX, cientistas e matemáticos proeminentes comoCoulomb,GausseFaradaydesenvolveram leis homônimas que ajudaram a explicar a formação e a interação dos campos eletromagnéticos. Este processo culminou na década de 1860 com a descoberta dasequações de Maxwell,um conjunto de quatroequações diferenciais parciaisque fornecem uma descrição completa dos campos eletromagnéticos clássicos. Além de fornecer uma base matemática sólida para as relações entre eletricidade e magnetismo que os cientistas vêm explorando há séculos, as equações de Maxwell também preveem a existência deondas eletromagnéticasautossustentáveis. Maxwell postulou que tais ondas constituem aluz visível,o que mais tarde se provou verdadeiro. De fato, raios gama, raios X, radiação ultravioleta, visível, infravermelha, micro-ondas e ondas de rádio foram todos determinados como sendo radiação eletromagnética diferindo apenas em sua faixa de frequências.

Na era moderna, os cientistas continuaram a refinar o teorema do eletromagnetismo para levar em conta os efeitos dafísica moderna,incluindo amecânica quânticae arelatividade.De fato, as implicações teóricas do eletromagnetismo, particularmente o estabelecimento da velocidade da luz com base nas propriedades do "meio" de propagação (permeabilidadeepermissividade), ajudaram a inspirar a teoria darelatividade especialdeEinsteinem 1905. Enquanto isso, o campo daeletrodinâmica quântica (E.D.Q.)modificou as equações de Maxwell para serem consistentes com a naturezaquantizadada matéria. Na eletrodinâmica quântica (E.D.Q.), o campo eletromagnético é expresso em termos de partículas discretas conhecidas comofótons,que também são osquantafísicos da luz. Hoje, existem muitos problemas no eletromagnetismo que permanecem sem solução, como a existência demonopolos magnéticose o mecanismo pelo qual alguns organismos podem sentir camposelétricosemagnéticos.

História

Mundo antigo

A investigação dos fenômenos eletromagnéticos começou há 5.000 anos. Há evidências de que os antigoschineses,maias,e potencialmente até mesmo as civilizaçõesegípcias,sabiam que o mineral naturalmente magnéticomagnetitatinha propriedades atraentes, e muitos o incorporaram em sua arte e arquitetura.Os povos antigos também conheciam osraiose aeletricidade estática,embora não tivessem ideia dos mecanismos por trás desses fenômenos. O filósofogregoTales de Miletodescobriu por volta de 600 A.E. C. que âmbar poderia adquirir carga elétrica ao ser esfregado com um pano, o que lhe permitia pegar objetos leves, como pedaços de palha. Tales também fez experiências com a capacidade das rochas magnéticas de se atraírem umas às outras e levantou a hipótese de que este fenômeno poderia estar ligado ao poder de atração do âmbar, prenunciando as profundas ligações entre a eletricidade e o magnetismo que seriam descobertas 2.000 anos mais tarde. Apesar de toda esta investigação, as civilizações antigas não tinham compreensão da base matemática do electromagnetismo, e muitas vezes analisavam os seus impactos através das lentes dareligiãoe não da ciência (o relâmpago, por exemplo, era considerado uma criação dos deuses em muitas culturas).

Século XIX

Capa deUm tratado sobre eletricidade e magnetismo

Na Europa, a eletricidade e o magnetismo foram originalmente considerados duas forças separadas. Essa visão mudou com a publicação deJames Clerk Maxwellem 1873,Tratado sobre electricidade e magnetismo,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. Cargas elétricas seatraemou serepelemcom uma forçainversamente proporcionalao quadrado da distância entre elas: cargas diferentes se atraem, iguais 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: cada pólo norte está unido a um pólo sul.
3. Uma corrente elétrica dentro de um fio cria um campo magnético circunferencial correspondente fora do fio. Seu sentido (horário ou anti-horário) depende do sentido da corrente no fio.
4. Uma corrente é induzida em uma espira de fio quando ela se aproxima ou se afasta de um campo magnético, ou quando um ímã se aproxima ou se afasta dele; a direção da corrente depende da direção do movimento.

Em abril de 1820,Hans Christian Ørstedobservou que uma corrente elétrica em um fio fazia com que a agulha de uma bússola próxima se movesse. Na época 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 ao fluir através de um fio. A unidadeCGSdeindução magnética(oersted) é nomeada em homenagem a suas contribuições para o campo do eletromagnetismo.

Suas descobertas resultaram em intensa pesquisa em toda a comunidade científica em eletrodinâmica. Eles influenciaram os desenvolvimentos do físico francêsAndré-Marie Ampèrede uma única forma matemática para representar as forças magnéticas entre condutores portadores de corrente. A descoberta de Ørsted também representou um grande passo em direção a um conceito unificado de energia.

Essa unificação, observada porMichael Faraday,ampliada porJames Clerk Maxwelle parcialmente reformulada porOliver HeavisideeHeinrich Hertz,é uma das principais realizações dafísica matemáticado século XIX.Teve consequências de longo alcance, uma das quais foi a compreensão da natureza daluz.Ao contrário do que foi proposto pela teoria eletromagnética da época, a luz e outrasondas eletromagnéticassão vistas atualmente como tendo a forma de perturbaçõesoscilatóriase autopropagadas do campo eletromagnéticoquantizadaschamadasfótons.Diferentesfrequênciasde oscilação dão origem a diferentes formas deradiação eletromagnética,desdeondas de rádionas frequências mais baixas, até luz visível em frequências intermediárias, atéraios gamanas frequências mais altas.

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

Uma conexão anterior (1735), e muitas vezes negligenciada, entre eletricidade e magnetismo foi relatada pelo Dr. Cookson.A descrição 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 repentina tempestade de trovões, relâmpagos, etc.... O proprietário esvaziando a caixa em um balcão onde estavam alguns pregos, as pessoas que pegaram as facas, que deitaram nos pregos, observaram que as facas pegaram os pregos. Nisso todo o número foi testado e descobriu-se que fazia o mesmo, e isso, a ponto de pegar pregos grandes, agulhas de embalagem e outras coisas de ferro de peso considerável...

E. T. Whittakersugeriu em 1910 que este evento particular foi responsável por um raio ser "creditado com o poder de magnetizar o aço; e foi sem dúvida isso que levou Franklin em 1751 a tentar magnetizar uma agulha de costura por meio da descarga de frascos de Leyden."

Forças fundamentais

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

A força eletromagnética é a segunda mais forte das quatroforças fundamentaisconhecidas. Ela opera com alcance infinito.As outras forças fundamentais são:

• aforça nuclear forte,que ligaquarkspara formarnúcleonse liganúcleonspara formarnúcleos;é a mais forte das quatro forças fundamentais conhecidas, mas opera apenas em curto alcance;

• aforça nuclear fraca,que se liga a todas as partículas conhecidas noModelo padrãoe causa certas formas dedecaimento radioativo;é a segunda mais fraca das quatro forças fundamentais e opera apenas em curto alcance; ainteração eletrofracaé a descrição unificada do eletromagnetismo e a interação fraca;

aforça gravitacionalé a única das quatro forças fundamentais que não faz parte doModelo padrão da física de partículas.Ela é a mais fraca das quatro forças fundamentais, no entanto, ela opera em alcance infinito.

Todas as outras forças (por exemplo,fricção,forças de contato) são derivadas dessas quatroforças fundamentaise são conhecidas comoforças não fundamentais[en].

Grosso modo, todas as forças envolvidas nas interações entre osátomospodem ser explicadas pela força eletromagnética atuando entre osnúcleos atômicoseletricamente carregados e oselétronsdos átomos. As forças eletromagnéticas também explicam como essas partículas carregam momento por meio de seu movimento. Isso inclui as forças que experimentamos ao "empurrar" ou "puxar" objetos materiais comuns, que resultam dasforças intermolecularesque agem entre asmoléculasindividuais de nossos corpos e as dos objetos. A força eletromagnética também está envolvida em todas as formas defenômenos químicos.

Uma parte necessária da compreensão das forças intraatômicas e intermoleculares é a força efetiva gerada pelo momento do movimento dos elétrons, de modo que, à medida que os elétrons se movem entre os átomos em interação, eles carregam o momento com eles. À medida que uma coleção de elétrons se torna mais confinada, seu momento mínimo aumenta necessariamente devido aoprincípio 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 realizada pelos próprios elétrons.

Eletrodinâmica clássica

Ver artigo principal:Eletromagnetismo clássico

Em 1600,William Gilbertpropôs, em seuDe magnete,que a eletricidade e o magnetismo, embora ambos fossem capazes de causar atração e repulsão de objetos, eram efeitos distintos.Os marinheiros notaram que os raios tinham a capacidade de perturbar a agulha de uma bússola. A ligação entre raios e eletricidade não foi confirmada até que os experimentos propostos porBenjamin Franklinem 1752 fossem conduzidos em 10 de maio de 1752 porThomas-François Dalibardda França usando uma barra de ferro de 12 m de altura em vez de uma pipa e ele extraiu com sucesso faíscas elétricas de uma nuvem.

Um dos primeiros a descobrir e publicar uma ligação entre a corrente elétrica produzida pelo homem e o magnetismo foiGian Romagnosi[en],que em 1802 notou que conectar um fio através de umapilha voltaicadesviava a agulha de umabússolapróxima. No entanto, o efeito não se tornou amplamente conhecido até 1820, quando Ørsted realizou um experimento semelhante.O trabalho de Ørsted influenciou Ampère a conduzir ainda mais experimentos, que acabaram dando origem a uma nova área da física: a eletrodinâmica. Ao determinar uma lei de força para a interação entre elementos de corrente elétrica, Ampère colocou o assunto em uma sólida base matemática.

Uma teoria do eletromagnetismo, conhecida comoeletromagnetismo clássico,foi desenvolvida por vários físicos durante o período entre 1820 e 1873, quando foi publicado otratadodeJames Clerk Maxwell,que unificou os desenvolvimentos anteriores em uma única teoria, propondo que a luz seria uma onda eletromagnética propagando-se noéter luminífero.No eletromagnetismo clássico, o comportamento do campo eletromagnético é descrito por um conjunto de equações conhecidas comoequações de Maxwell,e a força eletromagnética é dada pelalei da força de Lorentz.

Uma das peculiaridades do eletromagnetismo clássico é que é difícil de conciliar com amecânica clássica,mas é compatível com a relatividade restrita. De acordo com as equações de Maxwell, avelocidade da luzno vácuo é uma constante universal que depende apenas dapermissividade elétricae dapermeabilidade magnéticadoespaço livre.Isso viola ainvariância de Galileu,uma pedra angular de longa data da mecânica clássica. Uma forma de conciliar as duas teorias (eletromagnetismo e mecânica clássica) é assumir a existência de uméter luminíferoatravés do qual a luz se propaga. No entanto, esforços experimentais subsequentes falharam em detectar a presença do éter. Após importantes contribuições deHendrik LorentzeHenri Poincaré,em 1905,Albert Einsteinresolveu 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, consulteHistória 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 da mesma moeda. Daí o termo "eletromagnetismo". (Para obter mais informações, consulteEletromagnetismo clássico e relatividade especialeFormulação covariante do eletromagnetismo clássico[en].)

Extensão para fenômenos não lineares

As equações de Maxwell sãolineares,pois uma mudança nas fontes (as cargas e correntes) resulta em uma mudança proporcional dos campos. Adinâmica não linearpode ocorrer quando os campos eletromagnéticos se acoplam à matéria que segue as leis dinâmicas não lineares.Isso é estudado, por exemplo, no assunto demagnetohidrodinâmica,que combina a teoria de Maxwell com asequações de Navier – Stokes.

Quantidades e unidades

Ver também:Lista de grandezas físicas

Aqui está uma lista de unidades comuns relacionadas ao eletromagnetismo:

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

No sistemaC.G.S.eletromagnético, a corrente elétrica é uma quantidade fundamental definida pelalei de Amperee considera apermeabilidadecomo uma quantidade adimensional (permeabilidade relativa) cujo valor no vácuo é aunidade.Como consequência, o quadrado da velocidade da luz aparece explicitamente em algumas das equações que relacionam quantidades neste sistema.

Sistema Internacional de Unidades paraEletromagnetismo
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 potencialouPotencial 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	ohmmetro	Ω·m	kg·m3·s−3·A−2
$P$	Potência elétrica	watt	W	V·A = J/s = 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	faradpormetro	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	siemenspormetro	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	ampèrepormetro	A/m	A·m−1
	Relutância	ampèreporweber	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	henrypormetro	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 oEletromagnetismo
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 Laplaceda função$f$
$f',f''\ldots$		derivadas da função$f$de uma variável
$\rho$		carga volúmica ouresistividade

As fórmulas para as leis físicas do eletromagnetismo (como asequações de Maxwell) precisam ser ajustadas dependendo do sistema de unidades usado. Isso ocorre porque não hácorrespondência biunívocaentre as unidades eletromagnéticas do S.I. e as do C.G.S., como é o caso das unidades mecânicas. Além disso, dentro do C.G.S., existem várias opções plausíveis de unidades eletromagnéticas, levando a diferentes "subsistemas" de unidade, incluindoGaussiano[en],"ESU", "EMU" eHeaviside – Lorentz.Entre essas opções, as unidades gaussianas são as mais comuns hoje em dia e, de fato, a frase "unidades C.G.S." é frequentemente usada para se referir especificamente às unidades C.G.S. – Gaussianas.

Aplicações

O estudo do eletromagnetismo informa a construção decircuitos elétricosedispositivos semicondutores.

Ver também

• Eletroímã
• Eletromagnetismo relativístico
• Eletromecânica
• Experiência da dupla fenda
• Geofísica
• Indução eletromagnética
• Levantamento aeromagnético
• Magnetostática
• Modelo eletromagnético
• Óptica
• Teoria do absorvedor de Wheeler e Feynman

Leitura adicional

Recursos de bibliotecasobre Eletromagnetismo

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Ligações externas

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